普通板形建筑在平均风下的风场分析

傅成强，郭喜龙，雷,楷，许文杰

(铜陵学院 建筑工程学院，安徽 铜陵 244061)

（校级科研基金项目：普通板形建筑在平均风下的风场分析2021tlxydxs103）

摘 要：为了解决日益增长的建筑群在风环境下对人们日常生活所带来的影响，合理布局建筑体以及设计适宜的建筑物尺寸就显得尤为重要。针对普通板形建筑，根据流体动力学和数值计算方法且基于FLUENT软件，采用RNGk-湍流模型，对简化的物理模型进行数值模拟，分析不同剖面的具体数值情况，并对可能出现的建筑风环境进行评估。研究结果表明：普通板形建筑极容易在其背面产生无风区，建筑体表面也容易出现若干涡旋区域，这对行人的舒适性会造成显著影响。与此同时，对于气体的流通来说也显得十分不利。

关键词：建筑群；风环境；数值模拟；FLUENT软件

Analysis of wind field of ordinary slab-shaped building under mean wind

FU Chengqiang, GUO Xilong, LEI Kai, XU Wenjie

(School of Construction Engineering, Tongling College, Tongling 244061, Anhui, China)

Abstract: In order to address the impact of the growing building stock on people's daily life in wind environment, it is important to lay out the building masses and design the appropriate building size rationally. In order to solve the problem of the wind environment of the increasing number of buildings, it is important to lay out the building masses and design the appropriate size of the buildings. For the common slab-shaped buildings, the RNG k-ε turbulence model is used to simulate the simplified physical model according to the fluid dynamics and numerical calculation methods and based on the FLUENT software, to analyze the specific numerical situation of different profiles and to evaluate the possible wind environment of the buildings. The results of the study show that ordinary slab-shaped buildings are highly susceptible to windless zones at their backs and several vortex areas on the building surface, which can have a significant impact on the comfort of pedestrians. At the same time, it also appears to be very unfavorable for the circulation of gases.

Key words: building complex; wind environment; numerical simulation;

一、引言

伴随着全球经济化的进程发展，世界各个角落的经济有着显著的提高，于我国建筑行业而言，高楼大厦迅速崛起，从而导致建筑覆盖率日益增加，人们因此对自身的居住环境的要求也不断提高。城市现代化的迅速推进，推动了建筑风环境的研究。从生活、办公、娱乐场所的通风环境到城市建筑群的气候变化，设计师对建筑风环境所带来的影响自然而然的考虑在整个设计过程当中。

经济技术的发展同时也带来了科技技术的进步，从国内到国外的研究现状来看，针对建筑群风环境的研究通常采取三种技术手段。第一种是现场实测，其优点在于操作简单，实验所得出的数据真实且有效，但其检测周期过长不易对实际建造提供可行性预估；第二种是计算机流体力学数值模拟(CFD)，其计算周期短和方便调整优点被国际上广泛采纳；第三种是风洞试验，虽然结果可靠性高但所带来的高成本和长周期不利于实验的进展。

本文选用上述第二种方法，即采用数值模拟的方法对普通板形建筑在平均风下的风场进行分析。观察不同剖面处的压力风速图以及建筑体表面的速度迹线图，从直观上来观察平均风环境对建筑群的影响，进一步采取优化措施并得出相应的结论。

二、研究基础

风是由空气流动而导致的一种自然现象，是由太阳辐射热引起的。阳光照射在地球的表面，提高了地球表面的温度，地球表面的空气热膨胀变轻并上升。当热空气上升时，低温冷空气侧向流动，上升的空气由于逐渐冷却减重而减少。由于室外温度高，空气升温上升，形成的气流产生了风。风环境是指室外自然风在城市地形地貌或自然地形地貌影响下形成的受到影响之后的风场，对于建筑风环境来说，其主要涉及行人的安全和舒适，小区气候和居民健康，绿色建筑与节能，污染物的扩散与空气自净等问题。

考虑到风的随机性和复杂性，国内外研究人员把大气边界层中的风分成了两种，一种是平均风，另一种是脉动风，本文选择的是平均风下的风场分析。

三、建立模型

（一） 湍流模型

湍流模型作为微分方程类型，可根据微分方程数进一步分类。计算湍流的主要方法有三种，分别是雷诺时均模拟方法、大涡模拟方法、直接数值模拟方法。湍流模型的选取要求理解不同条件的适用和限制范围，本文采用的模型为RNG k-ε模型，该模型由暂态N-S方程推导而来。和标准k-ε模型相比，该模型在考虑湍流漩涡影响的同时还为湍流普朗特数提供了一个解析公式。所以，对瞬变流和流线弯曲的影响能做出良好的响应的模型理应选取RNG模型。

（二） 计算区域

为了保证所建立模型能够对日常生活实际情况展现的更为真实，选择恰当的计算区域对模拟结果的可靠性有着一定的意义。通过面向CFD的专业前处理软件Gambit在xyz三维坐标系的基础上建立一个长500m，宽300m，高120m长方体，将该长方体视为大自然环境，进一步进行风场分析。

（三） 物理建模

在上述建立形状规则的长方体来模拟大自然环境情况下，紧接着拟建一个小长方体来模拟普通板形建筑。为了提高实验的准确性和可靠性，共分别建立三种不同尺寸的模型：模型一的尺寸是60×10×18、模型二的尺寸是60×10×30、模型三的尺寸是60×10×60，以上模型均以米为单位。进风口设置为大自然长方体的短边方向，即300m长度所对应的方向。与此同时，为了研究的方便，将小长方体置于大长方体的长边中轴线上，即500m长度所对应的边。三种模型离进风口的距离分别为50m、75m和100m。

图1 普通板形建筑处于自然环境中

（四）网格划分

在完成建造所需要的几何模型之后，紧接着要对模型进行网格划分。为了尽量减少计算机的计算量和生成质量良好的网格，对上述几何体采用局部划分的方法。因为该几何体属于不规则的几何体，所以要围绕板形建筑体表面(不包括底面)依序生成五个平面对其进行分离，分离过后再对所形成的17个长方体划分网格。这样一来就可以大大减少计算机的工作量，还能生成质量不错的网格。经计算，网格数量为2191200个。

图2 网格划分结果

（五） 边界条件

完成建模和网格划分后，接着对模型进行边界定义。将进风口命名为in，边界类型选择壁面边界wall;出风口命名为out,边界类型选择压力出口边界pressure_outlet;大自然边界命名为waibizuo、waibiyou、waibishang,边界类型选择对称边界symmetry;大自然底面边界命名为dimian,边界类型选择壁面边界wall;建筑体表面分别命名为jianzhumianqian、jianzhumianhou、jianzhumianzuo、jianzhumianyou、jianzhumianshang，边界类型均选择壁面边界wall。

2.6 结果处理

运用Gambit软件，在建立几何模型、划分网格、定义边界的基础上，输出mesh文件。将mesh文件导入Fluent中迭代1000次后，计算收敛，得到case文件和date文件。利用tecplot图形处理软件,将计算得到的case,date文件输入软件中，进一步提取压力图、速度图和建筑体表面的矢量迹线图。为了研究方便，暂且把模型一二三分别对应工况一二三，对每一个模型来说，将一共建立五个平面:沿着建筑体中线的竖直剖切面，即x=250、建筑体迎风面所形成的面、建筑体背风面所形成的面、建筑体1.5m高所处的面、建筑体2m高所处的面。

四、模拟结果分析

（一） 工况一

1.1压力等高图

图一为建筑体中线的数值剖切面所形成的图，观察该图可以得出:当风正面吹向建筑体时，建筑体不论是迎风面还是背风面，不同高度所承受的风压是不同的，迎风面风压随着高度的上升而逐渐减小，背风面附近亦是如此。但值得注意的是，在远离背风面的一定区域内，该区域形成了明显的压力涡流区。图二为建筑体迎风面所处的面，观察图片可以看出，迎风面所处整个平面并无明显的压力差区间。图三为建筑体背风面所处的面，在建筑体背风面附近形成了少量的负压力区。观察图四和图五，即便研究的是建筑体1.5m和2m不同高度对应平面的具体情况，但是在颜色区分和分布范围上来看并无明显差异。

图3 工况一不同剖面压力等高图

1.2 速度等高图

图4和图3板形建筑不同剖面压力等高图排序一致。从第一张图可以看出，风速分布情况与风压分布情况对比截然不同。建筑体不同高度所承受的风速大体上都相等且小于迎风风速，背风面出现明显的涡流区，仅存在建筑体侧上方80m左右宽度的风速剧增区。从图二可以看出，建筑体迎风面所处平面只有围绕着建筑体表面的风速小于迎风风速，其余区域风速数值上均保持为5。从图三可以看出，建筑体背风面所处平面出现了无风区，以建筑体表面为基准向外扩散8m左右区域内风速低于迎风风速，继续向外扩散15m左右区域内风速高于迎风风速，其余区域风速和迎风风速相同。观察图四和图五，虽然是不同的高度的平面，但数值模拟结果无较大差异。背风面会形成低速涡流区，建筑体两侧会形成高速涡流区，只不过随着高度的增大，涡流区也变大。

图4 工况一不同剖面速度等高图

（二） 工况2

2.1压力等高图

将图5的第一张图与图3的第一张图对比分析，结论实际上和其一致。观察图5的第二张图与图3的第二张图发现建筑体底部两侧出现少量负压区。继续对比第三张图，工况二负压区的范围向四周扩散一部分。接着到第四张和第五张图，风压的影响向四周扩散。

图5 工况二不同剖面压力等高图

2.2 速度等高图

将图6的第一张图与图4的第一张图对比分析，差异在于，工况二的建筑体高度增加，背风面出现了无风区。对比第二张图，迎风面的风速比工况一还要大。第三张图，结论与工况一相同。第四张图，工况一是背风面出现负的涡流区而工况二则是迎风面出现负的涡流区。第五张图也是迎风面出现负的涡流区。

图6 工况二不同剖面速度等高图

（三） 工况三

工况三的结果分析实际上和工况二相对于工况一的结果分析一样，故在此不再赘述。

图7 工况三不同剖面压力等高图
图8 工况三不同剖面速度等高图

（四） 矢量迹线图

通过观察平均风绕过建筑体所形成的矢量迹线图不难看出，风绕过建筑体后会在建筑体的后两侧形成涡流气流，在背风区一定范围内会有无风场。

图9 建筑体表面矢量迹线图

五、结语

本文基于FLUENT软件，运用流体动力学相关知识，通过数值计算方法分别建立不同高度的普通板形建筑，以此来模拟在平均风下的风场分析，得出如下结论：

⑴平均风通过板形建筑容易形成涡流区域，不利于空气的流通和污染物的扩散，一定程度上影响了居民生活的舒适性。

⑵行人高度平面，平均风绕过建筑体会导致建筑体表面较小范围内风速风压剧增的现象，但其他地方基本上等同于迎风风速5m/s。

⑶板形建筑局部风速风压过高的情况，可以通过种植花草灌木来减缓。

⑷单个的板形建筑并不符合日常生活规律，为了减轻风场对建筑群的影响，合理的建筑体布局形式至关重要。

[参 考 文 献]

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[3] 佀颖鑫. 街区尺度高层建筑群风环境模拟分析及优化策略研究——以北京CBD中国尊地块为例[D]. 北京交通大学, 2017.

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