二狗子
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CFD的大成应用-香港Air Ventilation Assessment

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更多 发布于:2016-12-14 11:22

引言

规划署在2005年完成了建立空气流通评估系统的可行性研究,建议以性能为基础的空气流通评估方法去评估各种设计方案对行人环境风场的影响。

2006年,规划署亦进行了制定都市气候图及环境风评估标准的可行性研究。为了完善空气流通评估的框架,有必要制定一套标准化的地盘通风情况数据。


1.什么是AVA?

AVA Air Ventilation Assessment 空气流通评估,主要用以评估所建造的大楼对于公共区域,包括街道,广场等场所风环境的影响。

现代城市的发展使得市中心高楼林立,道路两边的污染物在街道上积聚,而由于两边高楼形成的陷阱效应,使得污染物只能沿着道路排出。

同时,保持公共区域的空气流动也有利于改进行人的热舒适度,减少中央城区的热岛效应。因此便需要通过空气流通评估,以评价新建建筑会否影响道路上原有的风道。在AVA评估中,我们使用VR(Velocity Ratio)来进行评估。


2.如何进行AVA评估

此处选用的是香港Plan Department(规划署)的技术规范并结合案例为大家做一个简单介绍。

2.1评估方法的确定

根据规划署的要求,可以通过风洞实验和CFD模拟两种方法进行AVA评估。

考虑到风洞实验受到试验设备,时间,费用等因素的限定,一般情况下,使用CFD软件进行模拟。本文主要介绍使用CFD软件进行模拟的情况。

2.2 分析区域的确定

分析区域根据大小分为,项目区域(project area), 评估区域(assessment area)边区域(surrounding area),其中项目区域指大楼占地区域;评估区域为从大楼占地区域的边界线为基准向外扩1H的长度,其中H为大楼高度;周边区域则指,从项目区域开始向外扩2H的长度。

除了这三个区域外,如果有其他特别的地方,诸如高楼等位于周边区域的边缘,则这些地方也需要包括在内。

下图是某项目对应的项目区,评估区域和周边区域。

图片:3.png

2.3 评估点的确定

在确定了所要评估的区域后,需要在该区域内选点,从CFD模拟结果中得到每个点对应的风速大小以便用于计算VR值。

对于评估点的选择,一共分为3类,分别是边界点(Perimeter Point), 总体点(Overall Point)特殊点(Special Point),所有的点的高度都应该位于地面以上1.5-2m,对应人的高度。

a.边界点: 边界点应当沿着大楼占地区域分布,间隔为1050米,总体上需要3050个点。

b. 总体点:总体点应当位于评估区域内会人流比较密集的街道、开阔地等,包含边界点。大致在边界点的基础上额外增加5080个点。

c.  特殊点:在选取了上述2种点后,针对评估区域内的一些特殊位置,例如海边等风速常年很大的区域。因为过高的风速会使得对比结果不明显。

下面是某项目的取点位置图:

图片:4.jpg

2.4 风向选择

在分析区域以及评估点都已经确定之后,需要知道哪几个风向需要进行分析。风向一共分为16个风向,每22.5度为一个风向。

如果所作的风环境评估要求是详细分析的,则要求每个风向均进行模拟。如果是初步分析的,则可以选取风向出现频率加总超过75%的几个风向进行评估。

本项目的风向分布结果如下:

   风向    ENE    E    NE    ESE
   频率    18.00%    15.30%    13.80%    8.30%
   风向    NNE    SSW    SE    SW
   频率    7.80%    6.00%    5.50%    5.20%
   风向    SSE    S    N    WSW
   频率    4.60%    3.80%    3.60%    2.40%
   风向    NNW    W    WNW    NW
   频率    1.80%    1.60%    1.20%
   1.005

从中可以看到如果要保证出现频率大于75%,下列风向需要进行模拟:

   风向    ENE    E    NE    ESE
   频率    18.00%    15.30%    13.80%    8.30%
   风向    NNE    SSW    SE    SW
   频率    7.80%    6.00%    5.50%    5.20%
因此一共有8个风向需要进行分析,每个风向都会得到一个VR值,再将这些VR值根据频率进行加权平均,就可以得到最终的VR值,用于之后的分析。
2.5 CFD模拟网格的要求
为了防止空气湍流影响评估区域进而影响最终结果,模型区域应该做的尽量的大,在本例中模型的大小为5008米长,5014米宽,1498米高的一个方盒,如下:

图片:8.jpg

尽管并不用保证整个盒子中的建筑都要建模,但是模型区域的地势信息(topography)需要保留,相应的地势信息可以在地理信息系统(Geographical InformationSystem -GIS)平台上进行查阅。
同时,因为考虑到模型区域非常大,相应的网格会做的很大,这样当然可以加快模拟计算速度减少运算负荷,但同时使得结果准确度不够。鉴于AVA评估主要着眼于人行道,高度为1.5-2米的范围内,因此在制作网格的时候需要在模型底部加入棱柱状网格(prism layer,通常的网格为四面体结构)。在本案例中加入一共6层,每层为0.5米高的棱柱网格。

图片:9.jpg

接下去开始用Star-CCM+,或者Fluent进行计算模拟,空气性质的设置同一般大气设置。

3.运算结果分析
本案例中的基准案例为2栋楼,均为类似立方体结构,如下图黄色部分:

图片:10.jpg

经过改进后,变为3栋楼,外形结构也有所变化,如下图蓝色部分:

图片:11.jpg

二者运行结果如何呢?
首先是基准案例:

图片:12.jpg

然后是改进后的结果:

图片:13.jpg

感觉上大致类似,但细看不难发现。改进后的结果在远处的风环境因为大楼在大楼高处变为一个倒置的T型,从而使大楼侧面变得更细小,允许更多风通过。而基准案例仍旧是方型,阻挡了空气流通。(红框标1处)

同时由于从一栋楼变为2栋楼,使更多气流能从楼宇楼之间流过,明显改善了中间过道,以及过道两边的风环境。红框标2处

[二狗子于2018-01-18 10:19编辑了帖子]
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