基于CFD模拟的塔式建筑街区自然通风优化设计的相关研究

李霄霄 李晓颖

摘要：利用CFD风环境模拟研究基本地形和周围环境对基本风环境的影响，充分研究了自然通风与总体布局，建筑形状和围护界面的关系。[1]以及不同风速方向的风、窗户开启或关闭状态、利用三维 CFD模拟和风洞实验，通过定性分析后整合设计方案，在对设计方案进行定量分析后，对 CFD风环境评估结果进行修正，以及早期检测出恶劣的风环境。通过多个项目的比较评估，提出相应的改进措施，达到首选施工方案的目的。最后，将预测结果与实验结果进行比较和验证。

关键词：CFD;塔式建筑;自然通风

自然通风在节能减排中发挥着重要的作用。在平时的日常生活中，增多自然通风能够有效的减少过渡季节空调设备的使用情况，是高温和潮湿气候下最有效的被动设计策略。因而，在当今的空调技术和机械通风的普遍应用中，对于自然通风技术的研究我们应该更加注重。传统的自然通风设计方法是基于风玫瑰图的分析和利用以及气候区划的解释，基于建筑师的经验，建筑师发现它并不能准确反映建筑物微环境，不能完全解决自然通风问题。流体动力学（CFD）的计算为自然通风问题提供了更加精细复杂的模拟分析方法，也提供了更准确直观的科学依据。但如今的建筑设计领域中，依然存在设计和技术方法相互脱节等问题，这就要求建筑师善于利用CFD进行模拟分析，辅助自然通风的设计。

一、CFD及建筑模拟的研究现状

日本学者Toshickt分析了日本上百年的气候变化，并对比了同段时间内的土地，得出结论：东京和大阪变得越来越城市化，受到来自太平洋的海洋风的影响也逐渐减少，城市的自然通风也很大可能被影响，因此风环境与热环境相比于从前都有所削弱。

随着计算机技术的发展，数值模拟风洞试验广泛被风环境模拟领域所应用。荷兰的布洛肯利用虚拟风洞试验对某体育场的周边风环境进行模拟与评价。在研究中，作者通过精细的划分，把计算机数值模拟与实测数据相结合。英国的巴顿提出了三个住宅用地的建筑安排，即独立，联排别墅和庭院。这将有助于改善附近的风环境，增强自然通风，并减少能源消耗。埃曼纽尔先生从英国城市设计的角度出发，对改善城市街区风环境、减少热带地区建筑耗能提出解决方法。并阐明了城市的建筑布局对热岛效应的影响，提出了减小热岛效应的布局建议，因此该布局也对城市街区风环境有所改善。该研究对有关亚热带、温带等气候地区的研究提供了帮助。

AP和Lam KM建造了具有相同规模的建筑物模型，并探索了建筑物布局对其风环境的影响。同时，研究了风向对模型风环境的影响，其方向垂直于建筑物的方向，与建筑物的方向平行。通过观察建筑物间通道和拐角处的风速，对相邻建筑物之间的相互作用进行分析。得出结论：当建筑物的朝向与风速方向处于垂直状态时，迎风侧的建筑物会对风的移动具有很大的阻碍，同时对后排建筑物的风环境也有所影响。风涡形成，影响风运动的分离和重新附着，当风速方向与建筑物的方向平行时，在建筑物之间便会形成风洞，产生“海峡风”，也就是局部高风速现象。Ishizaki、Sung和Wiren在做了类似模拟后，得出建筑间通道中心线的平均风速规律。日本Tetsuk等学者建立了模型，该模型含有22个街区的日本住宅街区阵列，通过风环境模拟，研究了街区建筑面积与街道平均风速之间存在的关系。得出结论，建筑物在区域中占比越高，区域中的平均风速就越低。在此基础上，他们提出了以地块建筑密度作为参考因素的设计方法。

二、CFD对建筑风模拟的应用方案

利用CFD风环境模拟研究基本地形和周围环境对基本风环境的影响，充分研究了自然通风与总体布局，建筑形状和围护界面的关系。[1]以及不同风速方向的风、窗户开启或关闭状态、利用三维 CFD模拟和风洞实验，通过定性分析后整合设计方案，在对设计方案进行定量分析后，对 CFD风环境评估结果进行修正，以及早期检测出恶劣的风环境。通过多个项目的比较评估，提出相应的改进措施，达到首选施工方案的目的。最后，将预测结果与实验结果进行比较和验证。

（一）单体建筑的模拟及优化

本研究先选一个塔式建筑街区作为研究对象，利用CFD模拟分析基地风环境，建立三维立体模型，在此平面上进行风环境模拟。因考虑到舒适性问题，故将研究平面定在距离地面12m处，并对冬夏季主导风向和分析了强度，周围建筑物或结构引起的风场变化和特定地形引起的地形风等因素进行分析。

（二）整体布局的建筑自然通风优化设计

基于塔楼，考虑周围城市街区的影响。以塔式建筑街区为中心，建立了8块楼及其周围的整体模型，并将其引入PHOENICS软件中对其进行计算机数值模拟。风洞是利用由主导风向，基本地形和周围建筑物等因素形成的风环境建立的。[2]这样可以减少局部不利的风环境，增加建筑物间隙或降低建筑物高度，并改善室外风环境的影响。

（三）为室内外风和热环境创造有利条件

通过CFD模拟读取建筑物表面的风压值，并计算房间的表面风压差以估计风压通风的可能性。在设定条件下，通过CFD模拟优化气流路径，改变气流以改善通风效果。在风的形状和开口位置附近，需要注意风速值是否过大，是否会影响使用者的舒适性和安全性。一些CFD软件可以对模型的辐射和温度进行耦合計算，通过读取风速值和温度值来预测热压通风效果，为加强建筑物的热压通风性能提供可行性条件。

参考文献：

[1]张晓敏.CFD技术在绿色建筑自然通风设计中的应用[D].学术期刊，低碳世界，2016.7.

[2]郭卫宏，刘骁，袁旭.基于 CFD 模拟的绿色建筑自然通风优化设计研究[D].学术期刊，建筑节能，2015.9.

[3]村上周三.朱清宇，等，译.CFD 与建筑环境设计[M].北京：中国建筑工业出版社，2007.

[4]赵彬，林波荣，李先庭，江亿.建筑群风环境的数值模拟仿真优化设计[J].城市规划汇刊，2002-02.

作者简介：李霄霄（1996-），女，本科，研究方向：建筑环境与能源应用。