国内CFD模拟在城市微气候中的应用综述*

王月明 乔雨轩 王楠楠 黎俊仪 傅伟聪 董建文

福建农林大学园林学院 福州 350002

人类活动对气候的影响[1]随着城市化的发展而越发显著。人们开始重新审视城市与气候、人与气候的关系。在此契机下，CFD技术在环境科学领域的应用迅速发展。本文通过文献统计与归纳总结，回顾了国内相关研究的发展历程，并为未来研究提供参考。

1 研究概述

1.1 城市微气候的发展

城市微气候是指在城市维度内，因独特下垫面条件形成的、区别于地区气候的独特气候状况[2－3]。我国系统地研究城市气候始于1980年，远晚于19世纪初起步的英国[4]。1985年，《城市气候学导论》 出版，此书包含城市气候学的发展历程、基本原理与应用[1]，是国内开展城市气候研究的理论基础。近20年来，我国对城市气候的关注度与日俱增，历经从定性到定量的研究转变，大批学者通过CFD软件对城市气候进行可视的定量分析，探索城市要素与不同气象因子之间的关系。

1.2 CFD模拟技术的应用

CFD是计算流体力学 (Computational Fluid Dynamics) 的英文简称，是指在流体力学的基础上，通过数值方法求解得到时间、空间上流场离散的定量描述，并以此预测流体运动规律的学科[5]。随着计算机技术的迅速发展，20世纪60年代，CFD成为一门独立的学科[6]，解决了缩尺模型模拟与风洞试验成本高、周期长、尺度受限等问题[7]。但因其晦涩难懂，阻碍了它在跨度较大的学科中的应用，直到通用软件的出现，打破知识壁垒，才使CFD成为解决流体力学相关问题的有力工具[5]。

CFD在我国的应用起源于飞行器周边流场的模拟，后广泛应用于各个工程领域[8]。20世纪90年代，建筑学首次将CFD模拟引入人居环境学科对气候因子的研究[9]，研究内容涵盖城市环境的方方面面:从风环境、热环境到人体舒适度、颗粒物扩散、水体净化[10]、声场[11]、工程选址[12]；从建筑单体到组团布局、绿地格局、滨水区、城市整体；从传统民居、历史街区到现代住区与街道。

1.3 CFD软件与操作流程

目前研究城市气候较为常用的流体力学计算软件有 FLUENT、PHOENICS、ENVI－ met、AIRPAK、STAR－CD、CFX等，每个软件都有自己的特点和最适合应用的场景，前3者最常用于人居环境学科相关的模拟(表1)。

无论使用哪种软件模拟，基本操作流程都是相似的，均由前处理阶段、计算求解阶段和后处理阶段3部分组成。前处理阶段是指建立模型、定义几何计算域，划分子区域、建立计算网格(网格越密，计算准确度越高，所耗费的时间越长)，定义流体的属性、边界条件和初始条件。计算求解阶段指选择合适的流体模型进行计算。后处理阶段指分析结果并将其可视化[13]。

表1 常用CFD模拟软件

2 文献计量统计与分析

2.1 数据来源

本文数据来自知网CNKI中文文献数据库，时间区间选择从中文第一篇关于CFD模拟应用于城市环境研究的论文为起始 (1981年[14]) 至2018年12月，以主题词“CFD模拟”或“流体力学”并含“环境”为检索公式，共得到865条结果。为能够准确反映研究特征，通过阅读摘要，并剔除报道、通知、消息等非研究类文献及超出本文研究范围的文献，最终得到样本734篇。

图1 发表文献时间分布

2.2 统计结果与分析

2.2.1 文献时间分布

运用Excel对734篇文献发表的时间进行初步统计，统计结果如图1所示:1995年之前鲜有文献发表，2010年增长率最大，接近上一年文献量的5倍，标志研究进入蓬勃发展时期；之后每年发表文献量保持稳定、持续的增长；2016年达到峰值后发文数量有所回落，整体趋势呈现波动上升。

2.2.2 研究机构分布

对样本文献的发表研究机构进行统计分析，结果发现共有134个文献来源于研究机构，30个机构间有过合作。高校是CFD研究的核心力量，与国家(地方) 气候中心、设备公司、工程公司形成合作网络。图2列出了发文量前12的机构，占总量的39.5%，位列前3的大学发文量约占总和的17.4%。研究机构分布多集中在上海、南京、北京、广州、武汉、长沙、东三省等科研实力雄厚，以及气候问题较严峻的城市和地区。

图2 截至2018年CNKI收录发文量前12的机构

2.2.3 关键词分析

将数据导入分析软件Citespace5.4，剔除无法被软件算法识别的文献，统计的有效时间区间为2001—2018年，最终有效数据样本为681篇。

节点类型选择“Keyword”对文献进行分析，阈值设置为Top 50 per slice、thresholding设置为(2、2、20)，通过“Pathfinder算法”精简网络，结果得到N (节点) ＝124，E (连接线) ＝205，Q (聚类模块值) ＝0.595 7 (Q＞0.3时认为聚类结构显著)，S (聚类平均轮廓值) ＝0.526 1 (S＞0.5时认为聚类合理)[15]。“十字”体量表示关键词出现频次，连接线粗细表示关联度，所得关键词图谱如图3。

图3 关键词共现网络

对相似关键词进行归纳，图谱围绕CFD模拟技术(数值模拟、CFD模拟、ENVI－met)、风环境(风环境、自然通风、气流组织) 与热环境(热环境、热舒适度、温度场) 构成，各关键词结合紧密，研究覆盖面较广。

2.2.4 研究热点演进

结合关键词突现图谱(图5) 判读，我们可大致推断出气候适应性设计、通风廊道、舒适度是CFD技术在环境领域最新和最具潜力的研究应用方向。

2.3 研究阶段

通过对样本文献的时间分布、关键词时间分布和关键词突现情况分析，关于城市环境的CFD模拟研究大致可分为4个阶段。

1) 萌芽期(1981—2003年)。通过在外深造的学者们对CFD技术应用的领域和使用的工具与方法进行详细的介绍，此时期国内开始引入CFD技术。

图4 关键词时间线图谱

图5 引用率最高的19个突现关键词

2) 缓慢发展期(2003—2010年)。此时期的文献发表篇数少而稳定，是CFD在城市环境领域的探索时期；与风、热环境相关的是频次较高的关键词，研究方向多为暖通工程和室内自然通风。

3) 蓬勃发展期(2010—2016年)。此时期发文量保持较高增长趋势，在2016年迎来最高峰；关键词涵盖室内、建筑、城规等，12个突现关键词在此阶段出现，拓展了CFD在城市环境中的应用领域。

4) 成熟发展期(2016年至今)。此时期发文量略有下降，趋于平缓；园林小气候、城市风道、舒适度开始受到关注；关于建筑与室内相关的研究热度下降明显，进行了热点的更替与知识的迭代更新。

3 对城市环境构成要素的CFD模拟

3.1 室内

谭洪卫[9]以日本经验为例向国内介绍了CFD模拟在室内空调系统中的应用，后经潘毅群、袁凤东等[16－19]对剧场、体育场、地铁、办公楼等大型公共场所送风与温控系统进行模拟验证，实现推广。通过对室内空间高度与面积关系[16]、送风口位置与送风方式[20]、民居细部设计[21]的模拟，归纳提高自然通风效率、室内舒适度的方法。CFD模拟也帮助实现医疗建筑[22－23]、数据中心[20]、畜舍[24]、温室[25]、井窖[26]等对颗粒物扩散、温度、湿度有特殊要求的室内空间微气候的精确控制。

3.2 建筑

对于单体建筑的CFD模拟可辅助判断建筑的安全性。研究对超高建筑[27]、大跨度结构[28]、屋盖[29]等风敏结构的风场进行模拟，为建筑抗风设计提供指导。通过模拟屋面风致雪漂移模拟[30－31]、立面风驱雨(WDR)[32]，探索消减自然天气对建筑结构与材料不良影响的方法。刘建麟等[33]探索了架空层与建筑高度比、风向夹角对人体舒适度的影响。

关于建筑群的研究，拆解布局要素，以2栋建筑[34]为起点，逐一探索它们对微气候的影响程度。曾穗平[35]建立20种理想布局探究现代居住区典型布局下的风热环境。杨扬[36]通过改变建筑单一特征探讨突变对风场的影响。以传统民居为模拟对象学习传统建筑技艺对自然的利用[37－38]，可为历史建筑的保护和绿色建筑设计提供参考。

1.2.4 术后有效咳嗽指导 ①指导患者坐在床上，上身微向前倾，双手手指交叉横压在伤口上，采用横膈呼吸，口微开，深吸气，再以两次短促的呼吸，呼出所有气体，然后维持嘴微张，快速吸一口气再用力咳嗽一两次，把痰液咳出来。②术后常规雾化吸入每日2次，持续1周。每次雾化治疗结束半小时内护理人员协助患者进行拍背咳痰。

3.3 街道

城市道路两侧因高层建筑密集，易出现“狭管效应”与“风漏斗效应”[39]，局部空气流动加快，局部滞留，造成气流紊乱而导致灾害。街道微气候形成与建筑密度、高度、错落度，街道高宽比、方向、天空视觉因子、围合度有关。研究分别围绕着这些影响因子与风场[40－41]，热环境[42－43]、空气颗粒物扩散[44－45]的相关性展开，或杂糅以探索街区舒适度[46]；部分学者补充研究了建筑立面形式[42、45]、建筑阴影[43]的影响。而历史街区具有不同的微气候特征[47]，因而在保护更新中，通过模拟寻找提高居住和游览舒适度[48]、提升应对突发天气能力[49]的方法。也有学者就高架道路与普通道路[44]污染物分布的差异进行了研究。

3.4 植被

在CFD模拟时，植物按实际形状建模和计算收敛都存在困难。林波荣[50]采用半透明树木模型解决模型无法反应实际辐射情况的问题，在此基础上进一步验证了被单株植物遮蔽的下游风场模拟[51]的可靠性。李亮[52]将圆锥形树冠模型经四棱锥、四棱台转化为长方体，发现长方体模型模拟收敛性最好，所得情况接近圆锥形模型风洞试验值。对不同树种的生理指标(叶片蒸腾速率、叶片表面温度)[53]、树冠结构(树叶当量值、叶面积指数、孔隙率等)[54－56]的微气候影响探究也未曾落下。

当绿地面积一定时，内部层次结构影响生态功能的表现[57]。以绿地群落理想模型为对象，灌木对风速的减弱优于乔木，乔木的降温效应优于灌木[58]；单排、双排、互植的风场存在差异[59]。以真实的特定场地为模拟对象，乔－灌－草结构降温、增加湿度、防风效果最显著[60]。随着垂直绿化的广泛应用，CFD模拟也帮助评价垂直绿化的生态效能[61]。

3.5 水体

CFD模拟结果表明水深对气温影响甚微，差值不超过0.03 ℃[62]。面积一定的静水面，方形产生最佳效果[63]。将布局特征量化为水体面积占比、平均最近邻体距离比、形状指数、位置指数4个指标，指标对温度、湿度、舒适度的影响程度一致，但在不同尺度下主导作用却不同[64－66]。

以城市自然水体为模拟对象，其冷岛效应为大湖泊＞小湖泊＞河流，形状复杂的湖泊＞形状简单的湖泊[67]。河道宽度影响下风向建筑群内的湿度，温度与距河道的距离成正相关[68]。张志勤[69]将水珠与空气的热交换公式嵌入环境模拟计算程序，以研究增大喷泉降温效果的有效措施。

3.6 地形

地形对近地风场有一定的影响。以Askervein小山为例，邓院昌[70]得到下垫面粗糙度精细化的方法；赵永锋[71]证明简化的二维地形模型其模拟结果可信。山体对风的阻碍作用与来流方向有关，湖南境内山体对夏季风的阻挡作用大于冬季风[72]。地形对风的加速效应为垭口＞峡谷＞单个山体，且在山顶处最为明显；当山体间距小于山体直径的一半时，近地面风速加速比大于安全规范[73]。通过对地形的CFD模拟更好地认识到障碍物对近地风场的影响，可为建筑、桥梁、公路等的选址提供帮助。

3.7 城市形态与景观格局

城市绿地系统可抽象为点状、带状、放射状、环形、楔形5种典型格局。对绿地格局理想模型模拟，在2 m和5 m高度上，楔形格局对城市具有明显的降温效应，且透风性较高；环形格局与外界能量交换较少，可用于防风林带[58、67]。在10 m高度上，带状格局对城市具有明显的降温效应；地表高度上，点状格局效果最佳[74]。

结合3S技术与CAD、Rhino等绘图建模工具实现对城市尺度的真实环境模拟。通过结合SPSS，将模拟数据与各城市规划参数进行回归分析。结果表明:风速比与绿地水体覆盖率成正比，与建筑密度、容积率、迎风面密度、城市粗糙元平均长度成反比[75]；热岛强度与建筑密度、容积率成正比，与绿地水体覆盖率成反比[76]。因此，以上述结果为理论基础可以指导城市风道建设和城市用地布局。

4 讨论

1) 关于实测与理想模型模拟的验证研究。准确性和可靠性是CFD应用的基础，通过验证研究比较模拟与实测数据是研究历程前期的关注点。今日依然有很多学者致力于提高模拟的精度，以克服大中尺度、复杂地形、结构等带来的困难。同时，为保证落地实践的可操作性和结果的可信度，北京[77]、上海[78]相继出台模拟标准，规范参数设置与模拟流程。

2) 关于理想模型模拟研究。CFD模拟为控制单一变量提供了可能。通过对比风洞试验结果与实测数据，对单一实体模型进行简化[50]、对布局结构进行抽象[35]，从而形成理想模型。理想模型用于探索单因素与微气候之间的作用机制及其相关性和敏感性。真实环境的模拟常为理想模型的模拟进行校验。

3) 关于微气候、城市环境要素的耦合研究。随着研究的进一步深入，各因素与微气候之间的作用机制成为研究侧重点。研究通过对空气流动与热过程的迭代计算，实现风场与热场的耦合，探索风场与热辐射的互相影响[79]；利用回归方程将下垫面形态与微气候环境模拟进行耦合，分析各因素与风[41]、热环境[43]的相关性。将CFD模拟与中尺度天气预测模式(WRF) 耦合，修正气象参数，提高模拟的精确度[80]；与建筑能耗计算耦合用于评价建筑的节能效果[81]。

4) 关于城市微气候优化设计的研究。此类研究是近年来应用的热点[82]。常通过改变城市环境要素(单一或复合) 预测未来微气候变化趋势，或对比分析多个规划方案的污染物扩散、地表温度模拟结果，选取最佳设计方案[83]。此类研究多集中在发达的一、二线城市。

5) 关于微气候评价的研究。此类研究通过CFD模拟得到各高度(多为1.5 m、3 m、5 m、10 m处) 的风场、热场、颗粒物浓度分布特征。对照风灾等级划分[84]评价环境的风安全性；结合风速概率统计、风速比[85]等风舒适度评估法，PMV[86]、PET[87]等热舒适度评价标准得到舒适度空间分布，从而评价环境的舒适度。《中国生态住宅技术评估手册》[88]《绿色建筑评价标准(GBT50378－2014) 》[89]《绿色校园评价标准》[90]等相继出台填补了我国评价标准的空白。

6) 研究的不足与展望。CFD模拟技术是探究城市气候执行有效的方法，经过近40年的研究，模拟技术日趋成熟，备受青睐。CFD模拟技术在设计阶段可以缓解城市气候问题、验证结构安全性、规避风险、节约能耗，在维护使用阶段可以评价微气候改善与节约能耗的效果。但研究还存在一定的局限:尚未了解所有对微气候产生影响的因素，以及它们之间的作用机制与效果，对复杂情况还需要进一步的离析探究；对寒冷地区热岛效应的积极作用、快速城镇化地区的微气候问题、气候累积效应的影响等议题关注不够；我国微气候等级划分和评价体系亟待完善，微气候评价尚未作为工程验收的指标，缺少法律效力和执行力度，难以将理论研究与实践相结合以指导城市的建设；未来城市依旧面临环境问题和可持续发展的挑战，研究与建设间的有效连接亟待建立，CFD模拟研究将在此领域不断扩大它的作用。