西安某小区风环境CFD模拟分析

王洋 宣永梅

摘要：指出了建筑风环境与人体户外活动的舒适程度密切相关，并对建筑节能有重要影响。运用计算流体力学的原理和方法，利用Phoenics软件，对西安某小区的风环境进行了模拟计算，分析了其风速和风压的分布情况，结果显示其达到了绿色建筑风环境评价标准的相关要求，可为西安地区的绿色建筑规划设计提供参考。

关键词：绿色建筑;风环境;CFD模拟

中图分类号：TU119.2

文献标识码：A

文章编号：1674-9941（2018）8-0191-04

1 引言

随着中国城市化进程的加速，类似北京、上海等新一线城市逐渐增多，新建建筑的体量会有大幅上升，建筑能耗也在攀升，因此“绿色、低碳、环境友好型”的绿色建筑受到中国政府的大力推广，在国家和各地力的绿色建筑标准中建筑风环境的评价是其中重要一项。良好的建筑风环境有利于建筑物在夏季合理利用自然通风，使建筑物通风散热，并消除区域内的污染物，冬季中减少巷道风和局部风速过大的问题，使建筑物更好的防风保暖。所以，在建筑方案的设计阶段应该将风环境的影响考虑在内。

目前，对建筑物风环境的研究主要有三种方法：风洞试验、实地测试和数值模拟，前两者投入时间多并试验成本高，不适宜于大范围推广使用，数值模拟比前两者省时省力，可以一次得到诸多室外流场的参数，国内外很多学者已经运用数值模拟方法对建筑风环境进行了研究，数值模拟的方法已经较为成熟。刘辉志等[1]采用风洞试验和数值模拟等方法，对北京某高大建筑在盛行风条件下的风环境进行研究，结果表明3种方法得到的风场结构和分布基本一致，验证了数值模拟结果的可靠性;杨易等[2]采用数值模拟方法，对中国建筑科学研究院新建大楼与原科研楼组成的高层建筑群的室外风环境问题，进行了详细的数值模拟和方案优化设计研究;石小倩等[3]对某大学的综合楼周边的风环境进行了模拟研究，将计算区域选取的基准由建筑物高度调整为建筑物的实际尺寸，通过分析比较得出后者的计算结果更为精确;K. Visagavel等[4]利用数值模拟软件，分析研究了单体建筑单侧开窗时与能形成穿堂风时的两种情况下的进风量，结果显示，进风口的风速是随着建筑物窗户高度的增加而增加的：B.Blocken等[5]利用数值模拟技术评估荷兰某足球场的行人风舒适度，并用现场实际测量数据验证模拟结果，结果显示在荷兰新的风损害标准评估下，球场周围的街道及广场风舒适程度在球场修建后大大恶化。

本文采用CFD软件Phoenics，对西安某处新建住宅小区的室外风环境进行了模拟研究，期望为该小区提供舒适安全的风环境，并为西安地区的建筑气候设计提供参考。

2 工程概况

本工程位于西安市浐灞区，占地面积8.96万m2，东西宽230 m，南北长340 m，共有30栋建筑物构成，其中1#～19#楼为低层住宅楼，20#～27#楼为高层住宅楼，28#～30#为小区配套低层商业建筑，该小区东西两侧为城市主干道路，北侧为该小区附属的学校区域，南侧是已建成的高层住宅楼（图1）。

参考《民用建筑供暖通风与空气调节设计规范》[6]中西安地区的气象参数，夏季最多风向为ENE（东东北），平均风速是2.5 m/s;冬季多风向为ENE（东东北），平均风速是2.5 m/s，冬、夏季主导风向和平均风速相同，故可同时进行分析。

3 模型的建立

3.1 数学模型的选用

建筑作为障碍物会阻碍风的流动，气流在其周边会产生碰撞、分离、附着等物理现象，按湍流作用下的钝体空气动力学理论，建筑周围的流动风具有低速不可压缩性[7]，空气密度为常量。建筑物周围风场的变化，基本控制方程是质量守恒方程（连续性方程）和动量守恒方程，在其流动过程中不考虑温度变化，所以屏蔽能量方程。湍流模型选择两方程模型中的标准k-ε模型。

3.2 几何模型

建筑物存在于一定空间范围的风场中，气流的状态的变化主要集中在这一区域，计算区域过大会导致划分的网格数量过多，增加计算机的运算负荷，计算域过小风场变化显示不清晰，因此模拟气流在建筑物周边的变化状态就要合理确定风场的边界，调用软件的Flair模块，设置计算域长宽分别为最高建筑物的10倍和5倍，高度方向为最高建筑的3倍，该小区最高建筑为99.8m，计算区域包括了北侧临近的学校和南侧的高层住宅楼，如图1。

3.3 边界条件及控制参数

室外风环境的模拟的边界条件为WIND边界，即三维风环境边界条件，入口采用速度入口边界，入口风速2.5 m/s，风向为东东北;由于计算区域足够大，气流在出口处的流动状态已经恢复正常不再受建筑干扰，流动状态已充分发展，将出口边界压力设置为大气压;计算域侧而采用对称边界层，建筑物表而和地而当做无滑移界面处理，即壁而法线方向速度为零;设置计算域计算步数为2000次，终止标准按连续性方程与动量方程残差为1.OE-4以下。

3.4 网格的独立性验证

网格独立性验证方法，即划分多种网格方案，通过对比各种方案下的流场分布情况，及各监测点的参数变化状态，来确定最终进行后续计算的网格设置状况。本文对该小区模型分别设置400万、450万、500万网格数量，分别模拟室外风环境1.5m高度处的流场分布，计算结果如图2、图3、图4所示，可以看出三种网格数下的风速矢量图变化趋势相同。

对计算区域的监测点布置如图5，记录3种方案各监测点的风速值，其差值变化率如图6所示，当网格数由400万增大至450万时，模型中各点的风速差值比例都在±3%范围内;当网格数由450万增大至500万时，模型中各点的风速差值比例在±2%的范围肉，差值变化范围较前者更小，故选取其中450萬网格的模型进行后续模拟计算。

4 模拟计算结果与分析

《绿色建筑评价标准》[8]指出：场地内风环境有利于室外行走、活动舒适和建筑的自然通风。建筑群的室外环境主要是人的活动范围，风环境对人的舒适感的影响集中在行人高度即1.5 m高度处，建筑的自然通风主要与风压差有关，所以对风环境研究的主要参数是风速和风压。当风速小于1 m/s时，易在小区中形成尤风区或者涡旋，夏季易产生热量和污染物的堆积，人体长时间在此区域活动，会引起身体不适，风速大于5 m/s时，会对人体造成较强的吹风感，影响人体的热舒适性，更甚者会导致建筑外部构件脱落，产生安全隐患，为此规定风速放大系数不能大于2;冬季为减少门窗缝隙的热量渗透，建筑前后压差应不大于5 Pa，夏季和过渡季节便于建筑群的室内通风，更好的利用自然通风降温，从而减少建筑能耗，并改善室内空气质量品质，50%以上可开启外窗室内外表而的风压差应大于0.5 Pa。

图7和图8分别为小区距地1.5 m高度处风速矢量图和风速云图，从图7中分析得到来流风向为东北偏东风，气流与东侧高层建筑成一定角度进入小区，然后在建筑之间流动形成风场，风速逐渐减小，图7和图8显示流场中最大风速出现在18号和19号建筑之间，约为2.8 m/s，这是由于26号和27号建筑间距为32 n1，18号和19号建筑间距为22 m，气流在这两排建筑间产生了狭管效应，可以考虑在该区域种植植被[9]或设置挡风板来降低来流风速。由于东侧两排建筑的遮挡效应，小区中风速最低点出现在西侧低层建筑背风侧，约为0.4 m/s，由于风速较低，需要注意该区域的通风问题。项目区域内风速放大系数如图9所示，最大为1.7，没有超过绿色建筑标准中规定的2.0，并且整个区域中均未出现风速大于5m/s的情况，项目内建筑周边的气流平缓，因此认为该小区的风环境处于舒适度范围内。

从整个流场分布进行分析，整个小区没形成明显大的涡旋和无风区域影响空气质量，但是在21号和22号建筑的背风区有小部分涡流区，29号商业建筑和20号住宅楼之间风速只有0.4 m/s，如果商业建筑引入餐饮业态，产生的油烟等污染物不易扩散出去，这些区域要特别注意环境卫生。小区北侧的学校由于是半围合式建筑，在建筑物的凹角处易形成涡流区，容易堆积垃圾并积聚热量，对学生健康不易，建议学校建筑部分区域底层架空设计或者在建筑之间设计连廊，以便有利于气流的通过，改善空气品质。

图10和图11分别为建筑物迎风面和背风面的风压图，从图中分析可知，东侧第一排高层建筑处于迎风面上，建筑物表面前后压差较大，可以在东侧种植行道树、设置挡风墙、广告牌等来降低行人高度处的风压，由于梯度风的存在，导致风压随着高度的增加而增大，局部区域前后表面压差大于5Pa，西安在气候卜划分属于寒冷地带，需要加强高层建筑的门窗的密封性能，减少冬季时的热量散失，这些区域的防寒保暖需要引起设计者的注意。由于其对气流的遮挡效应，使西侧的低层建筑物前后平均风压差均不大于5Pa，并且室内外压差最低处为0.6Pa，符合绿色建筑评价标准的规定。

5 结语

室外风环境的优劣与人体户外活动的舒适程度密切相关，良好的室外风环境可以使区域内气流分布均匀，建筑物在冬季避开主导风向防风保暖，夏季为小区带来新鲜空气，除热通风，而这些又与建筑物的布局、间距、地形、场地绿化情况休戚相关，要使设计的建筑能拥有良好的室外风环境，就要求设计师不仅仅只是经验丰富，还需要掌握CFD模拟技术，在建筑的规划阶段就设计多种方案，用CFD模拟技术对风环境进行计算分析，选出最优方案。

参考文献：

[1]刘辉志，姜瑜君，梁彬，等.城市高大建筑群周围风环境研究[J].中国科学（D辑：地球科学），2005（S1）：84～96.

[2]杨易，金新阳，杨立国，等.高层建筑群行人风环境模拟与优化设计研究[J].建筑科学，2011（1）;4～8.

[3]石小倩，刘厚凤，山东师大新校区综合教学楼风环境模拟研究[J].绿色科技，2013（2）：177～179.

[4]Visagavel K， Srinivasan P S S.Analysis of single side ventilatedand cross ventilated rooms by varying the width of the window o—pening using CFD [J]. Solar Energy， 2008，83（1）.

[5]Blocken B， Persoon J.Pedestrian wind comfort around a largefootball stadium in an urban environment： CFD simulation， vali-dation and application of the new Dutch wind nuisance standard[J]. Journal of Wind Engineering& Industrial Aerodynamics， 200a，g7（5）.

[6]GB 50736-2012，民用建筑供暖通風与空气调节设计规范[sl.

[7]陈伟，梁境.某小区建筑风环境数值模拟分析研究[J].建筑节能，2011（06）：17～19.

[8]CB/T 50378-2014，绿色建筑评价标准[s].

[9]吕祥翠，高文文，张伟.树木对生态建筑风环境影响的数值研究[J].制冷与空调（四川），2016（3）：256～261.