街区尺度下建筑风环境的仿真研究

林永晖，张 伟，盛景四

（天津城建大学 能源与安全工程学院，天津300384）

良好的街道风环境有助于改善行人舒适度以及建筑通风状况，甚至可以消减城市热岛（UHI）效应的影响.近年来，研究者们愈加关注建筑群的形态对于街区风环境的作用规律.

21 世纪初，孙洪波[1]综述了利用建筑设计与合理选址来改善室内微气候环境的方法；2010年，Bourbia[2]讨论和评估了街道几何形状对气候的影响，不同形式的街道之间的空气温差可达3～6 ℃；Kantzioura[3]通过对微气候和气象观测站的数据进行对比分析，发现城市峡谷的几何形状对街道的气象参数起着重要的影响作用；Allegrini 等[4]的研究发现，建筑物的表面温度主要受建筑物间距离的影响，并提出减轻热岛效应的措施.

秦文翠[5]结合卫星遥感图与ARCGIS 软件，建立了基于ENVI-MET 模拟平台的三维模型，探讨不同构筑物形态与街区尺度城市微气候之间的关系；王迅等[6]人利用大气下的延迟分离涡流模拟（DDES）湍流模型和离散相位模型（DPM）模拟城市环境中的流场和颗粒边界层.Cui[7]通过粒子图像速度测定法对城市半封闭U 型街道峡谷构造的PLWE 进行了定量评估.

然而，针对实际街区风环境的仿真研究往往需要长时间的勘察记录及计算工作，却不具有推广性.故本文在考虑到真实建筑及街区几何形态的复杂性后，从建筑街区尺度简化模型的一般性特征入手，采用CFD 仿真模拟技术，定量分析建筑高度、建筑布局及建筑与街道高、宽比三个几何要素对室外风环境的影响，着重探讨各要素与风环境之间的关系，旨在为建筑规划和设计阶段形成良好的街区风环境，提出一些建设性的建议和改善策略.

1 仿真模型

1.1 控制方程

空气流动的基本控制方程[8]如下，连续性方程为

动量方程为

能量方程为

式中：ρ 为密度；u→为速度；gi为重力加速度；p 为压力；T为温度；Fi为体积力；μ 为动力黏度；I 为单位张量；cp为定压比热容；k 为流体的传热系数；ST为流体内热源及由于黏性作用流体机械能转换为热能的部分，即黏性耗散项.

1.2 湍流模型与边界条件

本文室外风速数据参考区域为天津市城市郊区，气象参数选取：时间为2015-05-21，16：00；风向南向；风速1.9 m/s；参考高度为10 m；空气温度设为26.7 ℃.

研究使用SOLIDWORKS 软件建立街区模型，为提高网格划分效率，分别采用GAMBIT 和ICEM 软件进行流场的结构化和非结构化网格处理. 流体区域（计算域）中的介质为空气，可假设其为黏性、不可压缩、低速湍流流体.考虑到计算域空间较大，且无大尺度分离回流的特点，故针对性地选择了k-ε 湍流模型.

FLUENT 流动入口边界条件设置为速度入口边界条件.根据AIJ（architectural institute of Japan，简称AIJ）的研究，选用指数幂法则[9]，即

出口边界条件采用自由出流边界条件，并采用对称边界条件（symmetry），等价于“自由滑移”面.

本模型中空气流动情况可归类为不可压缩和中等程度可压缩的流体问题，可使用基于压力的求解器.由于半隐式方法SIMPLE 算法的通用性强，能保证速度调节趋势的正确性，因此在仿真计算时选用了SIMPLE算法.

2 数值仿真结果及分析

2.1 建筑高度对室外风环境的影响

为了研究建筑高度对室外风环境的影响，按建筑高度分类，选取4 种不同高度的建筑进行定量研究.建筑层高均为3 m，建筑高度H 分别是18，36，54，72 m；建筑的单体长度均为20 m，宽度均为10 m；前排建筑与后排建筑之间的距离为20 m；相邻建筑山墙之间街道的宽度均为20 m，共7 排5 列. 风向为Y 轴正方向，笔者选取中间1 列建筑及其两侧街道进行风环境分析.

不同建筑高度下的室外1.5 m 高风速分布如图1所示.由图1 可知，除外围建筑出现角隅风现象外，建筑高度的增加导致了高风速区集中在街道上且风加速区域面积增大，“风漏斗现象”加剧. 建筑高度为72 m 时，街道上的气流速度达至2.5 m/s 以上.随着建筑高度的增加，对小区街道空气加速作用越强烈；而当建筑高度突破54 m 高后，建筑高度对1.5 m高处风场分布影响逐渐减弱.

图1 不同建筑高度下的室外1.5 m 高风速分布

街道上风速剖面矢量如图2 所示.由图2 可以看出，在流经过第一排高层建筑后，空气流动方向呈斜向上趋势，且在近地面处风速最大；空气每经过一排建筑后，流速被削减，且随街道两侧的建筑高度增加，削减现象越明显，最终速度降低并趋于定值.

图2 不同建筑高度下街道上剖面速度分布矢量图

街道处的风速变化曲线如图3 所示. 可以发现被加速的空气流过建筑后过流面积增大，风速会短暂降低，直至流向下一排建筑重新被加速；空气流速呈周期性变化且总体趋势逐渐减小，且其波峰与波谷的平均值是同幅度下降的，建筑高度H=18 m与72 m 时相比，在波峰和波谷平均风速分别下降了0.1 m/s 和0.12 m/s；同时随着建筑高度的增加，空气加速阶段也将提前出现，从而导致高风速区域面积明显增加.

图3 不同建筑高度下街道处的风速变化曲线

图4 显示了一二两排建筑间的区域空气流速变化.从图中可知，建筑高度的增大，其间的风速场虽然整体变化趋势保持不变，但风速场中数值会整体升高，波动情况也将变得剧烈；而H=36 m 和H=54 m 的两条速度曲线基本重合，可知在此高度范围内时，首排建筑背面的风速与建筑高度无关.

2.2 建筑与街道的高、宽比对室外风环境的影响

为了研究建筑与街道高、宽比对街区风环境的影响，现设置四种高、宽比的街道模型，分别是高、宽比K=1.8，1.2，0.9，0.6，对应的街道宽度为10，15，20，30 m.建筑单体均为20 m×10 m×18 m（长×宽×高）的六层公寓楼，建筑前后排间距为20 m，相邻建筑山墙之间街道的长度为190 m，共7 排4 列，风向为Y轴正方向，选取中间1 列建筑及其两侧街道进行风环境分析.

图4 一二两排建筑间的区域风速变化曲线

图5 显示了不同街道高、宽比下1.5 m 高度处室外压力分布.由图5 可以观察到：随着街道高、宽比的减小，街道相对越宽，气流流通越通畅，沿途压力变化越小，压力分布越均匀；首排建筑和第二排建筑之间的压力低于-2 Pa；街道高宽比为1.8 时，第二排建筑至最后一排建筑之间的街道压力分布不均；街道高、宽比为0.6 时，第二排建筑至最后一排建筑之间的压力分布均匀，为-0.1 Pa.

图5 不同街道高、宽比下1.5 m 高度处室外压力分布

图6 显示了街道高、宽比K=1.8 时，自首排建筑以后在街道上出现多个风低速区，最低达1.25 m/s，随着街道高、宽比的降低，街道的空气流速越接近周围空气流速.

图6 不同街道高、宽比下的街道上速度分布云图

图7 显示了在不同建筑与街道高、宽比下，街道上风速的变化情况：随着建筑高、宽比的减小，街道上的风场趋于稳定、波动渐缓，至K=0.6 时街道上风速波已趋于平缓；当建筑高、宽比K=1.8 时，此时街道宽度仅为10 m，风漏斗现象最为明显，空气动压被过早消耗掉，导致后排街道空气流速要低于其他工况，且风场分布不均匀，最低流速为1.5 m/s.

图7 不同建筑与街道高、宽比下的街道风速变化曲线

图8 显示了一二两排建筑间的区域流场变化，可以观察到：随着建筑与街道高、宽比的增加，街道的空气流量减小，风加速现象增大；其间的风速分布是受街道的空气压力的影响，并且由于建筑背面的空气乱流和负压，风速变化也不是线性的.

图8 首排建筑后街道剖面速度变化曲线

2.3 建筑布局对风环境的影响

室外风热环境从宏观上受建筑布局的影响，不仅影响到室外活动人员的舒适性，而且影响建筑前后的压力分布.建筑布局不当可能会导致局部风速过大，不利于污染物扩散和热量扩散.合理的建筑布局可以提高室外人员的舒适性，可利用建筑的通道和压差来进行高效的自然通风[10].

本节在既有的场地和不同的风速条件下，探讨不同的建筑布局对室外风环境的影响，分析建筑夏季的通风能力.为了研究建筑布局对室外风环境的影响，设置四种不同建筑布局形式：行列式；b T 型；交错式；围合式.每栋建筑的尺寸均为20 m×10 m×18 m（长×宽×高）的六层公寓楼，编号为A、B、C、D；场地面积为60 m ×60 m（3 600 m2），风向沿Y 轴正方向，具体建筑布置如图9 所示.

图9 不同建筑布局三维示意

图10 为四种布局的室外1.5 m 高处压力分布云图.如图10 所示，四种建筑布置中，建筑负压区域总面积大小为：（a）行列式（1 600 m2）＞（d）围合式（1 200 m2）＞（c）交错式（1 100 m2）＞（b）T 型（1 000 m2）. 可见在此模型尺度下，T 型布局下建筑背面的负压区域总面积最小.

图11 为四种布局的室外1.5 m 高处速度分布云图. 结合图10 与图11，可以观察到，在行列式布局下，建筑背面的风影区最大，最低风速为-1.25 m/s，出现在前后两排建筑中间位置，大部分气流不会到达两排建筑之间，而街区空气流速却无法降低，风环境较为恶劣.

图10 四种布局的室外1.5 m 高处压力分布云图

图11 四种布局的室外1.5 m 高处速度分布云图

在T 型建筑布局下，左侧建筑与来流风向垂直，其大的迎风面积造成风影区域也较为宽阔；而右侧建筑与来流风向平行，背风面的空气流速较低，这是由于右侧建筑的距离更小，不易受两侧高速空气的影响，风速几乎不受影响.

在围合型布局下，建筑群有效地将风阻挡在小区迎风面，且中间大两边小，其压力分布也有助于引导来流风向周围扩散，这导致了四栋建筑的正中心产生负压区，而速度最小为-1.3 m/s.

建筑迎风面与背风面压力和速度数据如表1 所示.四种布局中，与来流方向垂直的建筑前后压差大于与来流平行的建筑前后压差，规律如下.

（1）建筑前后压差的大小与迎风方向的建筑间距有关.如T 型、交错式中D 建筑前后压差分别是0.79、0.54 Pa，背风侧压力分别是0.12、0.34 Pa.建筑背部压力与风方向的建筑间距关系是：间距越小，压力越小，越不容易受两侧气流影响.

（2）四种建筑布局中，区域总压差大小为：T 型（2.05 Pa）＞围合式（1.75 Pa）＞交错式（1.55 Pa）＞行列式（1.27 Pa）.T 型布局的区域总压差最大，为2.05 Pa，行列式布局区域总压差最小，为1.27 Pa，可知T 型布局的夏季通风能力最好.建筑前后压差与建筑前后速度差没有相关性，建筑前后压差最大不一定建筑前后的速度差最大，反之亦然.

表1 建筑迎风面与背风面压力和速度

3 结 论

本文采用CFD 仿真方法，研究了建筑高度、建筑布局及建筑与街道高、宽比等要素对建筑物周围风速场及压力场的影响，研究得出的主要结论如下.

（1）随着建筑高度的增加，对小区街道出空气加速作用越强烈；而当建筑高度突破54 m 后，建筑高度对1.5 m 高处风场分布影响逐渐减弱；对于街道上的流场变化，空气经每过一排建筑，流速会重新增加，并且建筑越高，各排平均风速越高，压力下降越多.

（2）街道高、宽比越小，街道的空气流量越大，“风漏斗现象”越不明显，因此风速场和压力场的变化不是线性的.随着街道高、宽比的增加，街道上的风速和压力趋于一致.对于街道上的流场变化，街道高、宽比K=1.8 时，街道上出现多个低风速区，风速变化曲线的波动幅度最大.对于首排建筑背面，受两侧街道宽度的影响，风速的变化不是线性的.

（3）本文设置了四种不同的建筑布局，其中T 型布局的建筑前后压差最大，且负压区域面积也最大，提高了夏季通风能力；交错式分布可利于夏季通风，冬季抗风；围合型布局能有效地将风阻挡在小区外侧，但其通风效果差，适宜在风速常年较大的城市规划中使用.