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绿建模拟

风环境的模拟与其在设计中的运用

发布时间:2014-09-01

  摘要: 研究风环境问题,,将有助于提高城市建筑的规划和设计水平, 改善人居环境, 并有利于环境保护和节约能源, 但是如何在实际复杂的环境中运用这些来营造风还需要有一个整体的把握。本文介绍了研究城市风环境的几种常用的方法, 通过风洞试验与计算机模拟手段可以预测建筑建成之后的风环境状况,借助先进的数值仿真技术,开展建筑风环境的研究与评估; 通过这些方法可以得到较直观的模拟效果,为设计具有良好风环境品质的建筑提供科学的指导。

  关键词: 城市风; 模拟方法; 营造风环境

  前言

  我国的城市现代化进程正经历着跨越式大发展的阶段,大型中心城市短短数年间便兴建了发达国家百年来才建起的大量的高层建筑与大型公共建筑。随着人们生活水平的提高和健康理念的转变以及现代社会对于节能、环保的迫切要求,自然通风逐渐成为人们乐于接受的空气调节手段,城市的规划布局及单体建筑的通风设计也越来越受到人们的重视。

  当今建筑“节能、减排、低碳”的发展主题,成为建筑行业未来发展的方向。目前,我国的绿色建筑发展逐步从理论走向工程实践,2006年国家颁布了《绿色建筑评价标准》,随后各地方政府出台了相应的绿色建筑评价标准,如《天津市绿色建筑评价规范》、《深圳市绿色建筑评价规范》等。无论是国家还是地方的绿色建筑评价标准,都对建筑的室外环境分布提出了相应的指标要求,尤其是对建筑区域的室外风环境分布状况有相应要求。

  现代化城市建筑的高层化发展和新型建筑布局格式带来了城市的风环境问题,如何创造良好的风环境,减少自然环境对人的伤害、提高人们的生活质量以及充分利用自然通风,有效节约能源,成为大家关注的焦点。为了解决这一问题,人们探索了一些研究方法,主要有风洞模型试验和计算机数值模拟。通过这些模型试验研究,可以对新的建筑设计或规划方案进行风环境分析,进一步为城市建筑设计提供依据。

  1 风洞模拟风环境

  当前,研究风环境问题的主要方法是风洞模拟试验,风洞模拟试验既可以进行关于风环境问题的基本课题研究,又可以进行旨在解决某具体建筑风环境问题的模拟试验研究。在边界层风洞中正确复现大气边界层流动特性,是试验结果可信的必要条件,也是风工程研究的重要基础工作。

  近些年来,大气边界层风洞的模拟技术已经有了很大的进展。在进行建筑物模型试验前,先在风洞中建立适当比例的大气边界层流场,然后将建筑物模型置于风洞中的大气边界层流场中进行试验。建筑模型比例要与大气边界层模拟比一致。一般来说,在模拟一定范围内的临近建筑群和地形特征时,对于临近存在高层建筑或特殊地形的情况,模拟范围应扩大。在研究区域设置风速传感器测量不同高处的风速,也可以通过测量较高位置点的风速后根据风速剖面幂指数分布律换算到其他高度的风速,建立各个方向上不同位置风速之间的比值关系,这样就确定了建筑物周围风速与大气来流的关系。

  2 数值模拟

  风洞模型试验方法是预测建筑物表面风压的一种主要方法。然而,随着计算机技术的迅速发展数值模拟方法已逐步成为继风洞试验后预测建筑物表面风压、周围风速和湍流特性的一种新的有效方法。

  建筑物周围流场数值模拟的数学模型有许多种,而在工程中应用较多的是k-ε双方程湍流模型,通常是用以雷诺平均N-S方程为基础的k-ε湍流模型模拟建筑物绕流三维流场。计算软件采用了一个多功能商业程序(FLUENT5.4),流动按不可压缩三维湍流计算。计算中网格生成使用Gambit程序,在复杂的模型中,Gambit自动生成六面体网格,因此,大大减少了计算时间。图2和图3是通过模拟而得出的风场流线图。

  

 

  图2 建筑物水平面流线图

  

 

  图 3 建筑物中心竖直剖面流线图

  针对建筑物风场和风压力的问题而采用的数值模拟方法不仅可以对建筑物单体进行模拟,得出建筑物在不同风向下的风场和风压力,同时也可以对建筑群进行模拟,得出风场在建筑群中的分布情况。通过图示,可以了解到漩涡分布、压力梯度、负压区域、建筑物之间的间距对风场的影响等一系列的问题。

  数值模拟方法能较好地预测复杂建筑物的周围流线和表面平均风压的分布情况。模拟得到的结果与风洞试验结果总体上有较好的吻合。计算机数值模拟技术强大的分析能力预见了它在工程应用领域中的广阔发展前景。

  3 水流模拟风环境

  用水流模拟大气,特别是用盐水进行密度分层来模拟大气温度随高度的变化,也就是大气中出现的稳定层结大气状态和逆温层现象,用密度来反映温度的变化。之所以能用水流模拟大气,是因为大气边界层、大气环境的层结状态、雷诺数和弗劳德数可以在水流中创造相似的情况。实验装置采用拖曳式水槽,实验过程可以在监视屏上清楚地观察,同时记录到流动的全过程。

  4 参照模拟结果营造风环境

  4.1 风环境中人舒适性的标准

  随着风速的增大人们会逐渐感到不舒适,通过试验中对行人举止的观察得到风速与不舒适性之间的关系如下:

  风速 V=6 m/s,开始感到不舒适;V=9 m/s,影响动作;V=15 m/s,影响步履的控制;V=20 m/s,危险。

  在实际应用中,常用各种不舒适性的风出现的概率判断风环境的舒适性。下面给出了风环境中风速影响舒适性的判据依据:

  坐着的情况 V< 5.7 m/s(界限风速);

  站着的情况 V< 9.3 m/s;

  行走的情况 V< 13.6 m/s。

  当有 80%的时间满足上述风速条件,同时每年风速超过26.4 m/s 的次数不超过3次,这样就分别满足坐、站、行舒适性以及安全性条件。

  4.2 模拟试验应用于风环境的营造

  根据风环境舒适性判据依据,把模拟试验和当地风统计特征结合起来,就能判定风环境是否分别满足坐、站、行的舒适性要求。

  以坐着的情况为例分析其舒适性风速发生的概率。根据长周期的气象风速资料,可以分析出研究区内某一标高处风速超过 V的梯度风发生的概率。根据相似性原理,从模拟试验中可以得出这一标高处风速V与行人高度风速的比值,设其比值为 k,则 V=kVsit

  以 Vsit=5.7 m/s代入上式,就得到研究区内设定标高处对应于坐着的舒适性界限风速的风速值,那么,代入概率关系式就可以得到该风向下超过舒适性界限风速发生的概率 Pi,对于所有风向角下风速超过5.7 m/s发生的概率就为:

  

 

  那么,满足坐着舒适性要求的风速发生的概率就为1-Psit,当1-Psit> 0.8 时满足舒适性要求。对于站着和行走的情况,其舒适性风速的概率分析原理相同。因此,借助于模拟试验得出了舒适性风出现的概率并由此可以作出舒适性判断。

  对于新的建筑设计方案可以通过模拟试验检验其风环境的舒适性,当存在难以接受的风环境时应对设计作出修改,当已建成的建筑存在不舒适的风环境时,可以通过设置流动控制器(例如天篷、篱笆、挡风墙、防风林带、附设建筑物等)改进风环境状况。总之,模拟试验研究为城市建筑单体和建筑群体的布局获得良好的风环境创造了条件。

  5 风环境与节能

  良好的风环境“不仅意味着在冬季盛行风风速太大时不会在小区内出现人们举步维艰的情况,还应该是在炎热夏季能利于室内自然通风的进行 (即避免在过多的地方形成旋涡和死角)” 。改善城市风环境,一是要根据当地气候特点做好整体及单体建筑的规划和布局,尽量利用建筑自身及相互间的遮挡使寒冷季节整体建筑群内风速不致过大、而过渡季节又能有顺畅的通风;另外,在主体建筑布局已经确定的情况下,通过在建筑周边设置绿化带、防风林、挡风墙等措施也能改善人居环境。对于建筑内部,其自然通风主要有单侧单开口通风、 单侧双开口通风、双侧穿越式通风、烟囱效应拔风、风压热压混合通风等形式,设计时具体形式可根据当地气候特点、建筑结构特点等来选择。总之,自然通风不仅涉及当地地形、地貌、气候、条件、风向、风速、风力,包括整体建筑群的规划布局、建筑物路面的建设等外部条件,而且要注意到单体建筑的开窗面积、开窗位置、开窗方式,顶部通风等等措施。

  城市风环境不良,在夏季可能阻碍室内外自然通风的顺畅进行,增加空调的负荷;在冬季又可能会增加围护结构的渗透风而提高采暖能耗。如果一个地区能够减少一个月的空调或者减少半个月的采暖,那么这个地区的节能数据必然是巨大的。因此,设计良好风环境品质的建筑能有效地降低建筑能耗。

  6 结语

  利用风环境的模拟可以为建筑规划和设计提供参考,但无论是哪一种方法都不过是对真实情况的模拟,得到的也只是一个近似的结果,如何进一步对模拟的模型进行修正,减小其与实际情况之间的差异应该是风环境模拟研究中不可忽略的问题。

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