城市通风模型的提出及模拟验证

石华 檀姊静 付祥钊 吴珍珍

1深圳市建筑科学研究院有限公司

2重庆大学城市建设与环境工程学院

随着城市的发展及人们生活水平的提高，风环境已成为影响人居品质的重要因素。一方面城市建设的不断发展，人口不断增加伴随着一系列的生产、生活活动，使城市热岛效应显著增强；另一方面工业发展、汽车尾气排放、生物质燃烧引起的大量空气污染物，直接影响着城市气候与居民健康。城市风环境的优劣直接关系到其降低热岛效应，稀释并排除空气污染物的能力[1]。与此相对，城区内部气流流动日益复杂，原有城市通风气流物理模型已愈来愈不适用，建立新的城市通风模型亟需解决。

1 城市垂直方向分层模型

城市由密集的低层建筑，大量高层建筑及少量的超高层建筑组成。在不同的竖直高度上，城市建筑的疏密程度和相对位置关系有不同的特点，因而，对气流的制约与影响具有不同力度。本文从分析不同高度城市气流流动特性出发[2]，建立了以下的城市竖直方向分层模型。

图1 城市高度分层示意图

设一座城市所有建筑的平均高度为h，标准差为σh。以城市地面高度为±0.0m。用平行于城市地面，标高为和的面，将城市分为上、中、下三层。下层称为建筑密集层；中层称为建筑屋面层；上层称为建筑零星层，标高为H1和H2的面为各层的分界面。如图1。

大城市建筑密集层的基本构成元素有：①宽敞的城市干道；②建筑密集的街区；③街区或城区之间开阔的广场、公园；④街区内狭窄的网状巷道等。在这一层中，约束气流流动的固体表面有，表面基本水平向上的干道和巷道地面、广场和公园地面。所有这些水平表面连通呈网络状。竖直表面是建筑立面。根据城市高度分层模型，这层中基本没有屋面，也没有盖子似的向下的水平表面。在建筑密集层，自然风冲进与其风速方向相一致的干道口，形成干道主流，风沿该干道前流，在干道分叉路口，流动主体保持原方向流动，侧面部分气流在分叉路口建筑物的阻挡作用下，改变流向，转入与原流动方向不一致的干道内流动，形成干道分支流。在各交叉路口，干道流与分支流不断发生分流与汇流，在流经建筑密集的街区时，以渗入或渗出的方式与街区进行换气。空旷的广场和公园等，起到空气湖、塘的作用，是街道流消散或重新起源之处。城市气流最终从城市的背风区离开城市。

建筑屋面层内，除极个别外，城市建筑的所有屋面都分布在建筑屋面层中，这些屋面是相对分离的，不连续的，向上的水平面。竖直表面仍然是建筑立面。这层中，没有大面积的连续水平表面，也没有表面向下的水平面。各表面分布密度越向上越小。水平气流流经建筑屋面层时，在不规则布置的建筑群外形成一个个相互交织的绕流，气流间具有一定空间关联性。

城市建筑零星层，是标高超过H2=h+3σh的城市上层空间，该层内仅包含零星超高层建筑的上部。在建筑零星层，高度超过H2的超高层建筑数量极少，水平气流在各建筑外形成一个个单体绕流，各绕流之间由于存在较大的水平距离，其相关关联性很弱，绕流间的相互影响可以忽略。

2 各层水平方向通风模型

根据城市竖直分层模型，建筑密集层、建筑屋面层及建筑零星层内的建筑间的气体流动空间在几何上各自具有明显的特征，水平气流在流经各层时受到不同程度的制约，将呈现不同的流动状态。

2.1 城市的建筑密集层通风

建筑密集层内气流受到地面、沿街构筑物等固体壁面制约，形成以主、次街道为流动通路的街道网络流动，流道顶面为自由界面，存在与上层的质量交换。在密集沿街建筑的约束下，空气主要沿着通畅的城市干道流动，称为干道流。干道流的流动动力来源于城市区域外的自然风速v0。干道流又分为干道主流与干道支流两类。与自然风速方向基本一致的，称为干道主流，与自然风速方向不一致的，称为干道分支流。干道主流的流路成为通流干道。

在水平气流主导下，建筑密集层内的空气流动可以描述为淹没网络流，即空气主流在通流干道及各支流道路构成的网状流道内流动，近似于流体在管网内流动的网络流动特性。如图2所示。由于流道不封闭，该网络内的流动介质可向上发展，流入建筑屋面层，上层空气也可下沉汇入网络，流道内空气还可通过建筑间隙流入高密度的街区。图中绿色箭头代表城市区域外的自然风向，蓝色箭头代表城市气流出流方向，街道网络内各支流流向需具体分析确定。

图2 建筑密集层街道网络流示意图

在进行建筑密集层街道气流网络分析时，需构建街道淹没网络图。首先确定自然风入口：以城市整体为一实体，置于自然风场中进行流场分析，得到城市界面的风压分布，以此分析得到街道网络流的自然风入口与气流出口。进而确定出通流干道与分支。干道或分支的交叉路口作为网络节点，节点处存在分流或汇流。自然风流经的第一个路口作为入口节点，该处的节点流量即流入该处的与自然风保持同方向的总风量。城市气流在城市内流经的最后一个路口，视为出口节点，该处节点流量即流经该处的与自然风方向相异的总风量。将空气在沿街流动中渗入两侧街区，或从街区内汇入的流量描述为涂泄流量，在岔路口等流道几何结构发生突变的地点，气流由于受到沿街建筑外墙阻挡，流速降低，静压升高，部分空气在压差作用下流入上部的建筑屋面层或通过建筑缝隙流入街区内部，该处空气流量的变化也可以计为节点流量[3]。按照以上规则将图2的街道流示意图进行网络化，得到图3。

Q代表节点流量，设流入城市为正，流出城市为负，下标表示流量作用的节点。ql代表涂泄流量，即沿空气流路汇入或渗出网络的流量。下标数字代表存在涂泄流量的分支。假设分支内气流不存在垂直流动，沿通流干道，各分支内流向与干道主流方向一致。各分支内气体流动方向由两端节点处气体静压的相对大小确定。

图3 淹没网络流图

2.2 城市建筑屋面层通风

在城市建筑屋面层，空气流速较高，呈湍流流动，以绕流形式流过稀疏分散的一个个单体建筑，在该层内建筑布置不规律，距离较近的建筑间存在绕流的叠加，形成复合绕流。针对建筑群风场的主要研究方法有数值模拟、风洞热线测量和风洞刷蚀技术等。由于建筑物的外轮廓形状一般都是非流线形的，因而建筑群周围流场中必然存在分离流动、涡的脱落和振荡等复杂的流动现象[4]。建筑物外形、高度、布局、来流风速、空气物性等都会对流场特性产生影响，本文根据已有研究成果对建筑屋面层内的二维建筑群流场特征进行分析。

在顺风方向第一排建筑物后的区域里漩涡分布最强烈，在其外侧转角区出现气流的急剧分离，当建筑间距较小时，下游建筑受到上游建筑尾迹涡的影响，流动情况更加复杂。当迎风上游建筑之间开口较大，下游开口小，形成“喇叭口”布局时，建筑间水平气流近似减缩喷口，流速随断面减小而增加[5]。在15m~40m街宽度范围内，临街平行建筑入口处风速基本相同，但街道越宽，沿流向的风速变化越缓。

图4 建筑屋面层示意图

根据本文对建筑屋面层的定义，该层内包含有在街区内不规则分布的高度超过H1的所有建筑的上部，并除去H2高度以上的部分。根据这一定义，该层内建筑仅分布于街道网络间的街区内，街道上空依然是空气自由流动空间。根据图2绘制建筑屋面层示意图4。

建筑绕流流场可以分为自由流区、分离剪切层、尾流区及滞止区等几个区域。根据文献[6]对沿街建筑群风场的相关研究，街道内气流流态可以根据街道宽度与建筑高度比（B/H）值进行划分。参考这一研究成果，设建筑屋面层内，建筑在垂直来流方向上的间距为B，建筑高度为H，根据B/H值的不同，可将气流流动划分为三种模式：①擦顶绕流流态模式；②尾干扰流流动模式；③单体绕流模式。在擦顶绕流模式内，建筑前后大部分区域的风速比随街宽的增加而逐渐增大；部分区域的风速比由于巷道气流的垂直分流而出现跳跃，街区上空风速在顺风方向上呈下降趋势。在尾干扰流模式内，随着B/H值增大，街道上空风速减小，建筑周围风速减小。当B/H增大至单体绕流模式，单体建筑周围绕流不受其他建筑影响，绕流间无复合，可按单体绕流处理。

2.3 城市建筑零星层通风

在该层内，只有含有高度超过H2的超高层建筑的上部。由于超高建筑数量较少，故其间距稀疏，单个建筑绕流之间几乎不存在相互影响，各建筑外绕流相互独立，对该层的空气流场可以按照单体绕流进行求解。建筑绕流包含有涡的分离、回流以及再附等复杂的流动现象[7]，相关研究表明采用RNG k-ε或LES湍流模型进行数值计算，均能得到较为理想的结果。

3 通风模型模拟验证

3.1 模型建立及边界条件设置

按照上述模型构想，应以城市整体置于自然风场中进行流场分析，得到城市界面的风压分布，以此分析得到街道网络流的自然风入口与气流出口，进而确定出通流干道与分支。对于稍微大型复杂的群体建筑风环境模拟尚且需要一周左右的时间完成数值模拟，若将整个城市建模进行CFD计算，所需要的时间将会无限期延长，而且电脑资源也无法承担过大模型的模拟计算。因此综合计算机运行时间，将模拟区域适当缩小，选择深圳市福田区梅林区域进行验证，面积约1000m×800m，见图5。

用PHOENICS软件模拟，湍流模型选择RNG k-ε模型[8]，计算区域按照经验设置为：高为建筑物高度的3倍，来流方向为建筑宽度的3倍，出流方向为建筑宽度的十倍，计算区域宽度为建筑物宽度的6倍。综上计算区域大小为3500m×1600m×300m，满足阻塞率小于3%的要求。迭代次数设为3000次，迭代收敛标准为所有变量残值低于10-3，能量的连续性残差降到10-5，且残差曲线平缓。

图5 模拟区域示意图

模拟区域采用非均匀网格系统，在街道及小区范围内网格较密，在远离建筑街道模型外比较稀疏，在目标区域和影响区域内，网格大小为0.5～1m，随着网格向边界延伸，网格间距逐渐增加。重点观测区域要在地面以上第三个网格和更高的网格内，即1.5m高度内至少3个网格。不均匀网格方案的选取模式对稳定性有极大的影响，为了保证计算的稳定，相邻网格距的变化不宜超过40%。

来流风按梯度风选取，室外风速以深圳国家气候观测台所提供的精度为1km×1km的分区气象站数据为参考。模拟区域属于梅林水库气象站片区，因此以该分区风速、风向及风频为背景条件。主导风速和风向为东南风2.2m/s。

出流面边界条件：假定出流面上的流动已充分发展，流动已恢复为无建筑物阻碍时的正常流动；两侧面的边界条件设为自由滑移表面。

壁面边界条件：在固体壁面附近，由于层流粘性作用影响加强，采用壁面函数法进行修正，按照无滑移条件给出，水平速度，其粘性系数由壁面函数法确定为：

3.2 模拟结果

从1.5m高度处区域风速云图6可看出，在建筑密集层，由街道和建筑壁面围合形成气流通道，在建筑密集层内的空气流动近似于管道网络流。区域主导风从东侧流入，与主要道路走向几乎平行，主干道北环大道，道路截面宽度最大，该道路内风速维持在1～2m/s左右，通风条件较好，主干道路入口处有三座弧形高层建筑，入口处气流在遇到该建筑后，在其背风面一定区域内形成涡流，涡流区域内风速较低，由此可见，在通流干道两侧不应布置较高建筑。经过第一个十字路口节点，部分气流进入横风街道，绝大多数气流仍向前流动进入下风街道，由于耗散作用，风速较入口处明显减小，在横风街道靠近交叉路口处会出现角旋涡。中间的支干道梅华路，从入口处至第一个十字路口节点，这段道路两侧建筑体型规整，无高层建筑，故气流流动平稳，无涡旋，风速维持在1～2m/s，通风良好。经过第一个十字路口后，由于上风街道倾斜，来自上风街道内的气流更多进入下方的横风街道而不是直接被导入下风街道内，另有少量气流从上方横风街道进入交叉路口之内。上风街道和下方横风街道内气流呈螺旋流动，其中上风街道中螺旋形的旋涡导致气流在交叉路口左下角附近出现跃升，当进入到下方横风街道后逐渐变形向下。十字路口节点可类比输配管网中的四通。与风向垂直的支干道中康路，该道路内风速流动状况较复杂，涡旋较多，风速普遍较低，0.2～0.8m/s左，两侧建筑通风条件较差。由上述分析，主干道和支干道内气流流动可类比流体输配管网中的干管和支管，近似于流体在管网内的网络流动特性。

图6 RNG k-ε模型1.5m处风速云图

从RNG k-ε模型21m处的风速云图（见图7）观察，该高度属于建筑屋面层，该层空气流速较高，呈湍流流动，以绕流形式流过稀疏分散的一个个单体建筑，在该层内建筑布置不规律，距离较近的建筑间存在绕流的叠加，形成复合绕流。由于建筑物的外轮廓形状一般都是非流线形的，建筑群周围流场中存在分离流动、涡的脱落和振荡等复杂的流动。由于梯度风的原因，建筑屋面层的风速较建筑密集层提高很多，不论主干道或支干道风速均达到1.5～3m/s。主干道北环大道上，第一个十字路口处由于多为高层建筑，因此建筑屋面层的流动仍与密集层的相似；而中间梅华路支干道的第一个十字路口，由于十字路口处，下方横风街道建筑较为低矮，斜上风街道中的气流在经过十字口后，无两侧建筑束缚，直接流经过低矮建筑的屋顶，进入下风街道和下方的横风街道，因此没有再出现建筑密集层处的漩涡结构。

而与风向垂直的支干道中康路上，风环境有所改善，由于该街道东侧的建筑部分较低，上升到建筑屋面层后，主导风从东部吹来，部分气流直接从屋顶流过继续向前进入与风向垂直的中康路，对于建筑密集层，这部分气流受到建筑物的阻挡无法进入到与风向垂直的路上，导致风环境较差。

图7 RNG k-ε模型21m处风速云图

从RNG模型25m处的风速风云图8看出，该层只有含有一些超高层建筑的上部，属于建筑零星层。由于超高建筑数量较少，故其间距稀疏，单个建筑绕流之间几乎不存在相互影响，各建筑外绕流相互独立。建筑绕流包含有涡的分离、回流以及再附等复杂的流动现象。分析该层气流流动特点时，可参照单体建筑扰流的规律。从图中可以看出，在整个区域的上风阶段布置了较多的高层建筑，主导风从东侧进入后由于这些高层建筑的阻碍，在背风面形成了涡旋，造成其背风面一狭长区域内的风速较低，对背风阴影区域内建筑废热及污染物的排放有不利影响。因此，对于主导风的上风段内不宜布置较多的超高层建筑。从整体来看，该层建筑周围风速普遍维持在较高水平，建筑前后存在压差，室内可形成良好的自然通风。

图8 RNG k-ε模型25m处风速云图

4 结论

城市风环境是影响城市居民生存质量的关键因素。目前，基于城市大尺度的通风研究相对较少，本文从城市空间整体出发，根据流场几何及动力特征，建立了城市竖直方向的分层模型，即垂直方向分为建筑密集层、建筑屋面层、零星建筑层；并对水平气流主导下的各层气流流动进行了讨论；总结了基于建筑密集层的街道淹没网络流模型的建立过程；根据已有研究成果，简要分析了建筑屋面层及建筑零星层的流场分析方法，为城市大尺度通风研究提供了基本思路及方法。

[1] 黄柏良.城市通风及其影响城市热岛效应与空气质量研究[D].长沙:中南大学,2011

[2] 刘学军,吴朱丹.城市建筑群对低层大气风速廓线影响的统计学分析[J].气象,1991,17(7):14-18

[3] 付祥钊.流体输配管网[M].北京:中国建筑工业出版社,2005

[4] 周莉,席光.高层建筑群风场的数值分析[J].西安交通大学学报,2001,35(5):471-474

[5] 沈祺,王国砚,顾明.多幢高层建筑间风场数值模拟和风灾分析[J].同济大学学报(自然科学版),2008,36(5):592-597

[6] 马剑.群体建筑风环境的数值研究[D].杭州:浙江大学,2006

[7] 朱伟亮,杨庆山.湍流边界层中低矮建筑绕流大涡模拟[J].建筑结构学报,2010,31(10):41-47

[8] 李琼,孟庆林,持田灯,等.建筑室外风环境数值模拟的湍流模型比较[J]华南理工大学学报(自然科学版),2011,39(4):121-127