基于FLUENT的高校宿舍建筑风环境数值模拟研究——以长春市某高校为例

白润涵，孙睿珩，李泽平，鄢 鸿

（长春工程学院建筑与设计学院，吉林 长春 130021）

1 模拟软件及CFD湍流模型的选取

计算流体力学（Computational Fluid Dynamics，即CFD），是利用计算机图像显示技术和数值计算技术的优势，将不可见的流体流动和热传导等物理现象通过科学的计算，用图像的形式显示出来的分析方法，在建筑风环境数值模拟领域得到广泛应用。目前应用比较广泛的风环境数值模拟软件有PHOENICS，FLUENT，VENT，AIRPARK等。

本文选用FLUENT作为模拟软件，GAMBIT作为前期模型建立及网格划分软件。FLUENT软件经过不断的完善和发展目前已更新至FLUENT v6.3.26版本，具有计算高效、表达直观、建模快速、自动网格划分、直接设置参数的特点，经过大量研究及实际工程应用，通过将其计算结果与风洞试验结果进行比对，验证了其计算结果的可靠性。

选用实际工程中应用广泛的基于RANS的RNG k-ε湍流模型。这种方程可以更好地处理应变率和流线弯曲程度较大的流动，能够更好地模拟湍流情况[1]。

2 模型简化、网格划分及计算域确定

为节约计算时间、减少非必要的计算量、加快计算收敛速度，需对建筑模型进行必要的简化，建筑体块中细微的凹凸变化需处理成规则的立方体。

GAMBIT软件是专门适配FLUENT软件的前期网格划分工具，其自带的多几何形体网格能够很好满足不同风环境工况的模拟需求。本文选取灵活性和适应性强的非结构网格，面域网格采用三角形网格。为捕捉近壁湍流变化趋势，在进行网格划分时，建筑物表面划分了比较密集的网格，外围计算区域边界布置了较粗的网格，形成内密外疏的网格结构，既有利于数据的采集，又能节省计算时间[2]。

计算区域高度为最高建筑高度的5倍，来流方向为建筑群宽度的5倍，出流方向为建筑群宽度的10倍，两侧宽度为建筑群宽度的5倍[2]。

3 边界条件设定

3.1 来流边界条件

来流边界类型选择速度入口（Velocity_In_Let），计算对象沉浸于大气边界内，热力环流及机械湍流影响弱，风速仰角参数值为0，并且忽略壁面风速，风速值设定为计算区域所在地区全年风速平均值。

3.2 出流边界条件

出流边界类型选择压力出口（Pressure_Out_Let），设定空气到达出流面为完全发展情况，空气流动完全恢复为无建筑遮挡的条件，相对压力值为0。这种边界条件相对于自由流出边界对出口回流收敛困难的问题有很好的解决效果。

3.3 建筑物表面、地面边界条件

建筑物表面和地面均采用无滑移的壁面条件（Wall），因模拟计算区域顶部与计算建筑壁面间距离较远，并且速度入口参数只对水平方向的风进行了定义，所以法线方向风速值设置为0[3]。

4 高校宿舍建筑群风环境模拟分析

本文所模拟区域为长春市某高校新建校区内学生宿舍建筑群，其中宿舍区位于校园的北部，建筑群采用行列式布局，建筑单体形态为半包围的“凹”字型，宿舍建筑群内部布置有食堂、书店、咖啡、银行等单体建筑及足球场、篮球场，共同组成校园内学生的生活区（见图1）。

图1 长春市某高校新建校区平面图

4.1 地区风环境参数设定

研究项目位于长春市，其风环境特点为：夏季、冬季、全年的盛行风向为西南风，冬季室外平均风速为3.9 m/s，夏季室外平均风速为3.5 m/s。

4.2 模拟结果分析

对模拟区域，即宿舍建筑群计算模型进行简化和编号（见图2）。

图2 模拟区域建筑编号示意图

如图3~图4所示，其风环境情况如下。

图3 模拟区域风速矢量

图4 模拟区域风压

1）图3显示，建筑群开口处主要的室外风环境问题，6#宿舍楼的右下角有较强的角隅风，对其右侧的足球场、篮球场组成的活动场地有较大影响，风速值高且面积约占整个活动场地面积的1/2，风速比约为1.57，对在此活动的人造成影响。左侧开口空间迎风向设置了书店、咖啡、银行作为生活服务用房，有效削弱了3#宿舍楼右下角的强风，风屏作用明显并降低进入建筑内部的气流。

2）从宿舍建筑组团内部看，半包围的“凹”字型建筑形态具有较强的围合强度，对高速气流的抵御作用显著，围合空间内部风速值为0.7 m/s，形成比较理想的组团内活动场地。右侧的研究生宿舍组团建筑间开口尺度更小，对高速气流的抵御作用进一步加强，组团内部的开口也形成了贯穿南北的气流，风速值为1.2 m/s，一定程度上解决了通风问题。而左侧的食堂单体两侧由于开口尺度的扩大，且相邻建筑较长的山墙相对，形成了较强的风狭管效应，风速较高，达到1.38 m/s，高速气流较强。

3）图4显示，风压值较高区域位于盛行风向的建筑迎风面，左侧的3#宿舍和右侧3#研究生宿舍的围合空间内出现风压的峰值，此位置的房间外墙需采取抗压保温材料。

结合模拟结果分析，采用了高围合度的“凹”字形建筑组合方式，对抵抗强风，特别是严寒地区的冬季寒风有较好效果。风环境的突出问题体现在建筑间的通道空间内部有贯穿的、高风速值的气流，右侧建筑组团间的室外足球场、篮球场活动场地室外风环境较差，对于在此进行室外活动的人影响较大，具体的优化措施如下。

1）右侧开口处的足球场、篮球场室外活动场地的迎风向开口处布置实体挡风墙，两侧建筑近地面行人高度处布置植被，整个室外活动场地位于挡风墙形成的风影区内，综合两种措施来有效降低风速。

2）左侧开口处的食堂建筑单体为棱角分明的矩形，突出的尖锐转角增强了角隅风，对其进行圆角处理从而降低进入内部的气流速度。

3）缩小2#，4#，5#，6#建筑的间距从而削弱进入空间内部的气流强度。优化后风环境如图5~图6所示。

图5 模拟区域优化后风速矢量

图6 模拟区域优化后风压

优化后的风环境变化如下。

1）右侧室外活动场地区域内的风速比降至0.51，形成了低风速的风影区，满足了人体室外活动的需求。

2）食堂单体形态由矩形变成椭圆形，尖锐直角变为圆滑曲线，风速比下降了0.17，风环境得到了进一步改善。

3）2#，4#，5#，6#建筑缩小了间距和开口尺寸，风速比降低了0.15，气流强度明显减低。

4）从图5~图6上看，优化后的计算区域风压峰值有所增加，高压区主要分布在建筑迎风面，布置在这些位置的房间需要注意围护结构的抗压保温。

5 结语

宿舍建筑的室外风环境对高校学生的生活质量影响较大，良好的室外风环境对降低建筑能耗、改善室内热舒适性、营造舒适微气候有着深远意义。通过将长春市某高校学生宿舍室外风环境数值模拟的原有方案与优化后方案进行对比，得出优化后的方案有效减少了局部高风速区域的分布，降低了高风速、高风压的数值，形成了更多的低风速风影区，风环境得到了显著改善，为营造安全、舒适的高校宿舍建筑室外风环境提供借鉴。