基于CFD风环境模拟下的小区单体建筑受风影响情况分析

孙瑞丰 马 申（吉林建筑大学，吉林 长春 130000）

基于CFD风环境模拟下的小区单体建筑受风影响情况分析

孙瑞丰 马 申（吉林建筑大学，吉林 长春 130000）

随着人们绿色建筑知识的普及，小区内风环境越来越受到重视，其中场地风环境成为影响行人舒适和安全的重要因素。能够改变小区内风环境的因素比较多，主要包括城市的气象参数；小区所处的周边环境；小区的建筑布局和建筑结构形式等。通过数值软件CFD对小区风环境仿真模拟，分析建筑布局与风场的关系，对小区风环境的设计有一定的指导作用。这就需要考虑小区内部总体风环境就涉及到单体建筑受风的影响，本文主要对建筑单体进行模拟，模拟单体建筑在不同建筑尺寸、风速不同情况下的受风情况，通过模拟分析可以对小区布局及前期规划等进行参考。

CFD；风环境；单体建筑；受风影响

居住小区是我国现代建筑群构成的主要形式，小区室外空气流动情况对小区内部的室外风环境有着重要的影响，局部风速过大可能对居民的生活、行动造成不便。因此在规划设计层面就要考虑小区风环境的影响因素，本文就此方面开展分析研究，以期对小区规划布局有一定的参考作用。

1 单体建筑风环境数值模拟条件设置介绍

本文的背景是在理想范围内的，风向采用垂直于建筑立面，速度为5.6m/s，我们采用这个风向与风速做为初始模拟，通过改变单一变量法进行模拟与分析。

2 场地环境与边界条件

2.1 场地条件

本次模拟采用GAMBIT建模划分网格，所研究的对象为三维模型，网格单元采用的Tet/Hybrid。采用这种方法生成的网格比较均匀，与实际情况下的通风一致，可用于模拟实际情况下的风环境。

2.2 边界条件

1）入口边界条件

采用速度入口边界条件(velocity inlet)。

2）出流面

假设空气到达出流面已经充分发展，所谓充分发展，意味着出流面上的流动情况由区域内部向外推得到，对上游流动没有影响，因此，出流面边界条件可以设置为outflow。

3）上空、建筑表面与地面

由于本文所设置的计算区域较大，上空面远离建筑物，可以认为上空面对建筑周围空气流动没有影响，其边界上法定向速度梯度为零。所以采用了边界wall，等价于墙。建筑表面与地面采用无滑移的避免边界条件wall。这种条件的设置是根据模拟实际情况下风的流动来设置的。

3 模拟影响状况

图1 来风向垂直于建筑立面示意图

在本小节中我们模拟的初试风向为正北风，风速为5.6m/s。对6种不同尺寸的建筑进行模拟，分别是：60m×10m×21m；60m×10m×33m；60m×10m×54m；80m×10m×21m；80m×10m×33m；60m×12m×21m（注：长×宽×高）。我们分别对结果提取一定的数据，如图1所示。提取的数据为受风速影响的区域最远端的距离如表1所示。

由于在计算域的下游部分留有足够的长度，可以使得流场充分叠加到湍流的充分发展段。但实际情况时往往建筑的周围不会留有那么大的距离，所以我们的示意图是风速进行初次叠加时的面积与效果。

1）60m×10m×21m的建筑选型为普通7层版式住宅的建筑尺寸，具体模拟数据见图2所示。

图2 60m×10m×21m速度模型图与风压模型图

图3 60m×10m×33m速度模型图与风压模型图

2）60m×10m×33m的建筑选型为普通11层板式住宅的建筑尺寸，具体模拟数据见图3。

3）60m×10m×54m的建筑选型为普通18层板式住宅的建筑尺寸，具体模拟数据见图4。

图4 60m×10m×54m速度模型图与风压模型图

4）60m×12m×21m的建筑选型为普通7层板式住宅的建筑尺寸，具体模拟数据见图5。

图5 60m×12m×21m速度模型图与风压模型图

5）80m×10m×21m的建筑选型为普通7层板式住宅的建筑尺寸，具体模拟数据如图6所示。

图6 80m×10m×21m速度模型图与风压模型图

6）80m×10m×33m的建筑选型为普通11层板式住宅的建筑尺寸，具体模拟数据见图7。

图7 80m×10m×33m速度模型图与风压模型图

7）在风速减半且不改变风向角的情况下对80m×10m×33m的板式建筑进行模拟，具体模拟数据见图8。

图8 80m×10m×33m速度模型图与风压模型图

由于数据（6）与数据（7）相同，所以统计（1）-（6）数据如表1所示。

表1 模拟提取数据

由以上的图和表格我们可以得知：

1）每栋建筑单体在风的作用下会在建筑南侧和北侧产生一定的风减速区，在建筑的东侧和西侧会产生一定的风加速区。

2）通过对比表格第1、2和3组,第5、6组数据我们可以得出以下结论，如图9所示：

图9 高度改变时各数据变化情况

（1）在长度和宽度不变的情况下高度越高的情况下，L1和L2先呈现出减弱趋势，到达33m之后呈现出增加的趋势；

（2）在长度和宽度不变的情况下高度越高的情况下L3随着高度的增加而增加，增加的幅度随着高度的增加而增加；

（3）在长度和宽度不变的情况下高度越高的情况下L4随着高度的增加而减小，到达33m之后呈现出增加的趋势。减小的幅度随着高度的增加而增加；

（4）在长度和宽度不变的情况下高度越高的情况下L5随着高度的增加而增加，增加的幅度随着高度的增加而减弱；

（5）在长度和宽度不变的情况下高度越高的情况下，负风压最大值区域离建筑立面的垂直距离越远，也就是前面提到的空腔区距离建筑立面的距离越远。

3）通过对比表第1、5组和第2、6组数据，我们可以得知以下结论，如图10所示。

图10 长度改变时各数据变化情况

（1）在高度和宽度相同的情况下L1和L2随着长度的增加而增加，高度越高的建筑L1和L2增加的幅度随着长度的增加而增加。

（2）在高度和宽度相同的情况下L3和L5随着长度的增加而增加，增加的幅度不随其他因素变化。

（3）在高度和宽度相同的情况下L4随着长度的增加而增加，高度越高的建筑L4增加的幅度随着长度的增加而减小。

（4）在高度和宽度相同的情况下，负风压最大值区域距离建筑立面的垂直距离不随着长度的变化而变化。

4）通过对比表格第1和4组数据，我们可以得知以下结论，如图11所示：

图11 宽度改变时各数据变化情况

（1）在高度和长度相同的情况下，L1和L2随着宽度的增加而增加；

（2）在高度和长度相同的情况下，L3随着宽度的增加而减小；

（3）在高度和长度相同的情况下，L4随着宽度的增加而减小；

（4）在高度和长度相同的情况下，L5随着宽度的增加而减小；

在高度和长度相同的情况下，负风压最大值区域距离建筑的垂直距离随着宽度的增加而减小。

5）在不改变建筑长度、宽度和高度的情况下，在风速减半且风向角不变的情况下，我们可以得知：

（1）初始风速减半的情况下，L1、L2、L3、L4和L5的数值不变；

（2）初始风速减半的情况下，模拟的全部过程中过速减半；

（3）初始风速减半的情况下，模拟过程中的风压数值是原始风速的1/4。

4 结 语

我们主要模拟的是垂直于建筑立面方向，风速5.6m/s的初始风速下对单体建筑的模拟，通过对比只改变一个变量的情况下得出一些结论：

1）无论建筑以何种形式存在的板式建筑，当来风向垂直于建筑表面的方向上，在建筑周围会产生一定面积的风减速区和风加速区，风加速区位于建筑左右两侧面积相等。

2）在只改变建筑高度一种因子的情况下，风减速区与风加速区会产生一定的变化，经过上面的分析我们可以得知：在建筑南侧的风减速区最远端的距离都大于日照间距，这说明在规划阶段时只考虑日照的情况下，建筑按一列排列时前面的建筑会对后面的建筑起到一定的风遮挡作用。

3）在只改变建筑长度一种因子的情况下，风减速区与风加速区会产生一定的变化，经过上面的分析我们可以得知：在规划阶段时我们不建议布置长度过长的建筑。一般布置3个单元60m左右的建筑比较适宜。

4）在只改变建筑宽度一种因子的情况下，风减速区与风加速区会产生一定的变化，经过上面的分析我们可以得知：在规划阶段时我们建议布置宽度大于或等于12m的建筑，可以减少建筑南侧风减速区的面积，也可以降低最大负风压的值，这对保护建筑表面的材料有利。

5）在只有风速改变的时候，风减速区与风加速区的面积不变，风压呈风速改变的倍数变化。这说明风速降低时对建筑表面的材料保护有更好的作用。

我们可以利用这些规律应用在规划和建筑的设计层面上，可以在风加速区的位置设置一些耐风的植物来降低风速，可以在风减速区的位置设置一些宅前路和活动场地，这样可以使人在利用这些场地时感觉到更加的舒适，在负风压值最大的区域注意保护建筑物表面的材料。在建筑开窗等设计中能够起到一定的指导作用。

The analysis of monomer building affected by wind situation bBased on CFD wind environmental simulation

With the popularity of green building knowledge for people,more attention paid to the endogenous wind environment,including ground wind environment become the important factors that affect the pedestrian comfort and safety．The fFactors that cCan change the endogenous wind environment are variesfactors,mainly including the city’s meteorological parameters;Area surrounding environment;Village of architectural layout and structure,etc．Simulatingion the wind environment by through numerical software CFD simulation,and analyzes the relations between architectural layout and wind field,It has a certain guiding role for the design of wind environment．That needs to be consider the influence ed within the overall wind environment involves individual buildings is affected by the wind,this paper mainly simulate a single building, simulating different conditions ion of monomer buildings by the wind in different size,and wind speed under different conditions by the wind, through the simulation analysis It can be referenced for of the village layout and preliminary planning can be reference．through the simulation analysis．

CFD；the wind environment；individual buildings；affected by the wind

TU023

B

1003-8965（2017）01-0030-03