基于CFD技术的群体建筑风环境分析

徐剑琼，曾琼，胡帅博（广州华立学院）

1 CFD技术与群体建筑风环境的研究现状

现阶段，我国城市化进程在不断推进，对于建筑行业发展也提出了更高的要求。而在建筑技术不断提高的同时，更多高层与超高层建筑群体开始出现，同时也进一步体现出体型复杂、布局多样的特点。这样复杂的结构将会对建筑风环境产生直接影响，并显著提升了安全、健康、节能等要素管理的难度。例如，如果在高层建筑狭道内形成高风速以及过急涡流会给行人带来不舒适的感觉，并降低建筑的安全系数[1]。在这样的情况下，在对建筑进行规划设计的过程中，应有效对建筑风环境进行合理预测与评估，从而对建筑群体规划设计实现优化指导。现阶段，在计算机技术不断发展的环境下，计算流体力学(Computational Fluid Dynamics，以下简称：CFD)更多被应用于建筑领域实践当中，同时相较于边界层风洞试验，CFD在应用效率上具有着更加突出的优势。

2 建筑风环境计算模型的建构

2.1 模型简化

在实际开展建筑风环境测算之前需要进行相应计算模型的构建，需要以建筑实际尺寸为依据，从而完成三维几何模型的构建。不论是单体建筑还是群体建筑，构建计算模型都需要考虑建筑周边气流分布的影响，同时为进一步保证减少计算流程、加速计算收敛，还需要对建筑计算模型进行简化。结合绿色建筑设计标准的实际规定来看，模型再现区域应确保可以将目标建筑边界H(建筑物高度)以最高的细节标准再现。与此同时，在对模型进行简化的过程中，还应在保证建筑周边流场分布的同时简化凹凸部分，特别是对于弯曲、倾斜的部位来说，模型简化有着更为突出的作用[2]。

2.2 计算区域计算

在对风环境进行计算的过程中，其最后的计算结果与模拟计算区域的大小有着直接的联系，因此相关人员应做好区域大小的把控，一旦区域过小会造成流场失真的问题，而区域过大则会导致计算量增加、网格数量明显增多，整体的计算成本也会显著提升。因此，合理确定区域有助于控制计算量，并完成对群体建筑流场的准确描述。例如，在对群体建筑进行风环境CFD模拟的过程中，可以根据经验将计算区域高度设定为3H、宽度设定为6H，入流与出流方向距离分别3H以及4H，其中H表示的是目标建筑高度。

2.3 网格划分

网格的生成与划分是流体动力学计算的重要组成部分，对于CFD计算结果的准确性也有着直接影响，因此网格划分是模型计算的关键所在。研究表明，在进行网格划分的时候应进行局部加密，并将两个相邻的网格尺寸比控制在1.3以内，同时相邻网格中心线的连线也应尽可能地保持在平行状态。结合现阶段的发展情况来看，六面体网格系统在进行网格划分的时候得到了较为常见的应用，同时应尽可能减少对单一四面体网格系统的应用[3]。

2.4 边界条件设置

建筑风环境模拟离不开对边界条件的合理设置，其中主要涉及进口边界、出口边界、顶部边界以及地面边界等。除此以外，要想完成相关计算过程，还应选择科学的计算模型与离散格式，考虑到群体建筑风环境大多为不可压缩、低速湍流，因此应以此为基础进行湍流模型的选择，尽可能减少风环境模拟上的误差。而应用CFD软件还离不开适合的离散格式，当前较常见的包括一阶迎风格式、二阶迎风格式等[4]。

3 基于CFD技术的群体建筑风环境计算

3.1 计算过程

首先需要完成对流场边界的测算，通过有限体积法对相关区域进行离散，进而在离散之后得到的非线性代数方程可以表示为：

结合（1）式来看，φ表示的是变量Uj(j=1，2，3)，aP、am表示的都是相应的系数，而b为源项。针对流场计算区域网格划分所采用的是非结构化网格，其主要指的是先在建筑物壁面布置一些比较细的网格，待其提升对流场的适应能力以后，再布置较粗的网格，最终实现对整体流体进行划分。与此同时，在进行网格离散的时候还会应用到Laplacian光顺方法，该方法的应用可以有效实现对网格点的优化。在计算来流水平风速的时候按照建筑物的高度规律U=U0(Z/Z0)α的公式进行，其中α可以按照C类地貌取0.25，而当Z0=400m的时候U0=13m/s。根据以上内容可以进一步得出以下公式：

结合（2）式来看，k为湍动能，J；U为平均速度，m/s；I为湍流强度，mpa；ε为湍能耗散率，%；u为雷诺数，κ为系数，Z为梯度风高度处，m；Cμ为经验系数。出口处截面取在无回流处，建筑物墙面以及地面采用的是无滑移边界条件，并借助FLUENT软件完成对网格的划分与计算。

3.2 计算结果分析

3.2.1 单体建筑风场

在对单个矩形建筑进行计算的时候，借助RNGk-ε湍流模型完成模型计算值以及风洞试验值的比较，其中模型的计算值可以给出风速矢量图以及风速比，而风洞试验值只能给出单一的风速比图[5]。值得注意的是，风速比值直接反映的是建筑物受风速的影响，而单体建筑的存在也进一步起到了增大当地风速的作用。结合实际的计算过程来看，在使用RNGk-ε模型进行计算的过程中，气流在建筑物侧面的分离会存在一定程度上的提前情况，而在风速方面与风洞试验值较为吻合，因此可以得出RNGk-ε模型对于预测建筑物周围流动风场有着十分良好的效果。

3.2.2 群体建筑风场

而在对群体建筑风环境进行测算的过程中，为保证该模型可以发挥出其应有的作用，应进一步优化数据选取。结合计算过程来看，在人行高度为2m的时候，由于X建筑的高度较高，因此在存在气流的时候会产生一定的下冲气流。与此同时，在X建筑和B建筑之间也会产生气流，造成风速的明显提升，风速比值最大甚至可以达到1.8。X建筑和F建筑以及C建筑和E建筑之间会产生一定的负压区，整体流动是比较弱的，但流动要素却相对复杂，平均风速在0.4左右。图1为行人高度处2m的风速比值和风速矢量图。

图1 行人高度处(2m)的风速比值和风速矢量图

3.2.3 误差分析

结合上述的计算过程来看，与风洞试验会存在一定的误差，而误差产生的原因主要集中于以下几个方面：①边界条件因素。在进行计算的过程中，涉及的地面粗糙程度以及流动风脉动分量等参数都是假定的，因此很有可能与风洞试验的边界设定存在不符；②湍流模型因素。本文计算所选择的方法为RNGk-ε湍流模型计算，该模型虽然在k-ε湍流模型的基础上有着一定程度上的改进，但在捕捉钝体绕流的时候并不能取得良好的成效，因此也导致计算值与试验值存在较大的误差；③在实际测算的过程中，测量数据准确性还会在一定程度上受到测量区域环境的影响，一旦存在回流、垂直气流，不仅会提升测量难度，还会降低其精度。这也是导致测量值与实际值之间存在较大误差的重要原因。

3.2.4 测量结论

本文对单体建筑以及群体建筑的风环境加以测算，并将实际测算结果同风洞试验结果进行比较，主要可以得出以下几方面的结论：①RNGk-ε湍流模型在捕捉钝体绕流时的结果不理想，拐角区域也偏大，因此在数值上与试验结果有着较大的偏差，但就整个计算区域的风速比值分布来看，与试验值的误差则较小，这也体现出了RNGk-ε湍流模型的合理性。②总的来说，在进行群体建筑风环境测算的过程中，需要保证边界条件、离散区域、离散方法等要素的科学性与合理性，进而采用CFD数值模拟技术对群体建筑风环境加以测算，可以得出较为准确的计算结果。值得注意的是，这部分测算结果对于后续的规划设计工作也有一定的参考作用。③在计算的过程中还发现间距的变化对于群体建筑风环境也会产生一定的影响，对于建筑之间的狭管效应来说，间距过小、过大都不利于建筑周边环境建设[6]。因此相关人员应有效控制两建筑的间距，从而提升行人的体验。

4 结语

综上所述，在以往开展群体建筑建设的过程中，相关人员往往会忽略微环境对于建筑体验感的影响。作为其中的重要影响因素，建筑风环境的形成也会给行人带来感觉上的变化。因此应不断加强对风环境要素的计算，借助CFD技术，通过N-S方程和RNGk-ε湍流模型提升相关计算过程的精确程度，同时准确把控模型简化、计算区域确定以及网格划分等环节，得出相应的环境数据，有效减少对区域气候造成的不利影响。