建筑底层架空对行人高度处风环境及污染物扩散影响的数值模拟

关键词：底层架空；行人高度；风环境；污染物；数值模拟

在千变万化的城市建筑形态设计中，底层架空设计逐渐受到人们的重视和青睐。由于架空层的半开放公共空间能起到良好的局部遮阳和避雨作用，居民可不受天气情况约束在此进行户外活动。另外，架空设计能减小地面附近空气流通的阻力，这会导致城市微气候环境的改变，尤其有助于改善行人高度处的风环境与地面附近污染物的扩散［1–5］。因此，架空设计对提高居民的生活品质、改善建筑外的空气质量以及建设宜居城市有重要的现实意义。

目前，对架空建筑周围风环境的研究主要采用风洞试验法和数值模拟法。文献[6–7]以高层建筑为研究对象，在风洞内分别测量了单体建筑、单排建筑以及带有裙房的单排建筑模型周围的行人高度处风速，并分析和讨论了建筑高、宽和裙房等因素对风速的影响。文献[8]的风洞试验研究表明，相比于架空层柱体的断面尺寸，架空层高度是影响行人高度处风速的主要因素。

由于数值模拟法的低成本和短周期优势，许多研究者采用该方法探讨架空设计对建筑周围微气候环境的影响。文献[1]首先实地测量了重庆市某住宅小区夏季时的周边风速情况，并将其作为数值模拟的边界条件，再选用RNGk−ε紊流模型考察了架空层面积占比和架空区域位于建筑中间或端部时对小区行人高度处风舒适度的影响。文献[2]以单栋高层建筑和上、下游布置的2栋高层建筑为研究对象，利用realizablek−ε紊流模型模拟并分析了建筑高度和上游建筑对架空建筑周围的风舒适度与热舒适度的影响。文献[4，9−10]考察了架空设计对不同高宽比街道峡谷内风环境的影响。

在讨论架空设计对建筑群的风环境影响时，已有的研究大多假定所有建筑均为架空设计[1，11−12]，然而，实际建筑群往往是部分采用架空设计，因此，本文选用数值模拟的方法，在规则建筑群中，考察不同位置的建筑架空设计对行人高度处风环境的影响，同时分析该风场对地面污染物扩散的影响程度。本文的研究可为建筑群的规划与建筑架空的设计提供理论依据和参考。

1建筑群模型和计算设置

本文选取住宅类建筑群为研究对象，每个单体建筑外形相同，各建筑长L=60m，宽W=15m，高H=30m，共计4排8列，建筑间距D为15m，建筑群模型如图1所示。图1中研究区域的建筑考虑底层架空设计且架空高度为3.5m，架空层内的支撑柱体断面为0.5m×0.5m。图中的污染源为地面交通面源，污染物为CO，污染物以0.04m·s−1的速度从路面均匀向上发散[13]。因建筑布排、计算域的设置和流动情况呈对称性，因此，本文取沿来流方向的对称面的一半进行数值模拟，计算域设置如图2所示，图中的坐标系原点位于地面，z轴沿建筑高度方向，计算域顶部距离地面5H。本文参考文献[6]将计算域进口来流速度u设为：u/Ur=（z/H）0.15，Ur为5m·s−1，进口紊流强度参考文献[14]设置，其余地面和建筑表面均设为无滑移壁面，计算域出口为出流条件。

为研究不同位置的底层架空设计对其周围风场和浓度场的影响，本文设计了6种工况，分别命名为R000、R100、R010、R001、R110和R111，其中R表示住宅建筑群，R后的数字依次表示沿来流方向上研究区域内建筑的架空设计情况，0表示底层无架空，1表示底层有架空。图3为研究区域建筑的不同架空设计。

本文各工况的网格划分采用ICEM商用软件完成，由于建筑均为规则长方体形状，因此，计算域离散采用结构网格的形式。为获得网格独立解，本文选用3种疏密度的网格，其壁面附近的最小网格尺寸约分别为1、0.8和0.5m。计算结果表明，上述网格的计算结果变化均小于5%，因此，后续模拟时各工况壁面最小网格尺寸均选用0.5m。

数值模拟的控制方程为连续性方程、动量方程和realizablek−ε紊流模型方程，污染物分布由组分输运方程确定，上述方程的具体形式可参考文献[2，11]，方程离散选用二阶迎风格式，计算收敛的标准为残差达到1.0×10−4，且流场无变化。本文采用Fluent商用软件完成计算。

为定量评价行人高度处的风速大小，本文定义时均风速比MVR，且有MVR=Up/Ur，其中Up为行人高度处风速，MVR仅考察速度大小而不考虑速度方向。研究表明，当行人高度处的风速大于5m·s−1时，行人会有明显的不适感，在夏季，行人对小于1.5m·s−1的风速几乎无感知［15］。据此，本文根据MVR将风速区分为5类，表1为MVR对应的风速区。

2模拟结果与分析

2.1架空设计对行人高度处风场的影响

图4为建筑群行人高度处的流场和MVR分布。由图可知，在沿来流方向的主街道上，x向主流可保持至研究区域第2或3列建筑处。建筑群最外侧的气流在研究区域第3列建筑后沿y向流入建筑群内。这两股气流的MVR均大于0.3，即均为中风速或中高风速。与无架空的工况R000下相比，研究区域内有架空建筑时的MVR变大。

由图4可知，在工况R100下，第1列架空设计使得x向主流缩短至研究区域第2列建筑前，该主流在架空位置0当群内有2列或3列建筑采用架空设计时，整个研究区域的MVR均显著变大，工况R110和R111下的MVR分布基本相同。上述分析表明，无论是单列还是多列的架空设计，研究区域上游建筑的架空对MVR的增加效果更显著，下游的架空效果则逐渐递减。

为给出架空设计对不同位置的风场影响的定量评价，将研究区域的y向街道分别命名为S1、S2、S3和S4，其面积均为0.5H×4.5H，x向街道命名为S5和S6，其面积均为3.5H×0.5H。具体如图5所示。参考文献[8]中关于风速面积占比的评价指标，定义指标ARSi为

式中：AVj-k为行人高度处风速V为j～k范围内的面积，j～k取值为表1中的5种风速；ASi为待评价区域Si的面积，i取1～6。

图6为各工况下ARSi分布。由图可知，建筑群附近行人高度处以低风速和中风速为主，超高风速区的面积为0。ARSi分布特征随位置变化明显，在和来流方向垂直的S1～S4位置，低风速面积占比较大，ARS1～ARS4基本上均大于50%，尤其在位置S3，各工况下低速风ARS3基本上均大于90%。在和来流风向一致的S5和S6位置，低风速面积占比明显变小，中风速和中高风速面积占比增加，特别是S5位置，低风速ARS5小于40%，中风速和中高风速ARS5的和增加至60%以上。与S5位置相比，S6位置的低风速ARS6虽略有增加，但中风速和中高风速ARS6也有40%。

架空设计对各街道ARSi的影响也随工况不同而变化。在S1位置，与无架空的工况R000下相比，工况R100下低风速ARS1减小了10%，工况R110和R111下均减小了25%，上述工况下中风速ARS1则分别增加了10%和20%。工况R010和R001下，S1位置的低风速ARS1无改善，上述ARS1的统计结果与图4的流场分布基本一致。由以上分析可知，S1位置低风速ARS1的减小主要取决于第1列建筑的架空，下游第2或3列建筑架空对S1位置的低风速ARS1无改善效果。

S2位置的ARS2与S1位置的基本相同，第3列建筑的单独架空对S2位置的低风速ARS2无改善效果，但第1列和第2列建筑各单独架空时则有改善，虽然第2列建筑架空时的改善效果较弱。工况R110和R111下，S2位置的中风速ARS2在所有位置中最大，中风速和低风速的均约为50%，且工况R111下中风速ARS2略大于工况R110下的。这说明第3列建筑与其他建筑同时架空时能起到改善低风速ARS2的作用。

在S3位置，各种架空设计对低风速ARS3的改善效果均不明显。由图4可知，建筑群内的x向主流动能沿程减小，在第2列建筑处基本消耗殆尽，建筑群外的y向回流则发生在第3列建筑后。工况R001下的流场表明，第3列建筑架空时，y向回流主要影响第3列建筑架空处的风速，但对S3位置的风速影响不大，因此，S3位置的低风速ARS3最大。

在S4位置，研究区域第2列建筑架空对改善低风速ARS4无效果，第3列单独架空、第1和第2列架空以及3列全部架空的效果基本相同。值得注意的是，距离S4位置较远的第1列建筑架空对S4位置的低风速ARS4有一定的改善作用，其原因为：由于S5位置的x向主流会对S3和S4位置y向回流造成阻力，因此，当第1列建筑架空时，S5位置的x向主流变弱，则阻力也变小。

S5位置两旁的建筑使得此处的气流通道变窄，气流被加速，因此，S5位置的低风速ARS5小于S6位置的低风速ARS6。总体上看，S5位置的各范围风速面积占比在所有街道中相对最均匀。

由以上分析可知，建筑群的架空设计能减小低风速ARSi，增加中风速和中高风速的ARSi，相对而言，2列以上的建筑采用架空设计对减小低风速ARSi的效果更好。架空对x向街道的ARSi影响较小，对y向街道的ARSi影响较大。

2.2架空设计对污染物扩散的影响

图7为各工况下行人高度处的无量纲污染物浓度分布。图中无量纲污染物浓度K定义为［13］

式中：c为污染物的体积分数；Qs为污染物的释放率，m3·s−1。

在本文模拟的各工况下，污染源两旁的建筑和街道形成了高宽比为2的深街谷，由于S6街道的存在，该街谷属于短街谷类型[9]。由文献[9]可知，深街谷会导致交通污染物聚集在街道底部而不易扩散。在无架空设计的工况R000下，S1位置的K分布与文献[9]的结论基本一致[见图7（a）]。

图7（b）～（f）表明，架空对建筑群行人高度处的污染物浓度分布影响不大。各种架空设计均使得建筑附近产生强烈的−x向回流（见图4），这使得污染物难以向下游扩散，因此，除了S1位置附近的K较大外，其余位置的K总体上较小。

工况R000下，S5和S6位置的x向主流将污染源处的污染物输运至下游并在S2位置扩散开，其K约为15～45，S3和S4位置的K则均小于15。工况R010和R001下的架空位置距离污染源较远，架空流动对K的影响则更小，因此这两个工况下的K分布与工况R000下的基本相同。

工况R100下，研究区域第1列建筑架空使得该建筑迎风面行人高度处的K急剧变小，但K>30的污染物主要分布在第1列建筑的0≤y/H<0.5和1.7≤y/H<3.2处，和工况R000下相比，低浓度区域（15输运至第1列建筑附近，研究区域大部分位置的K≤15。

3结论

本文设计了无架空和底层架空共6种规则建筑群，利用realizablek−ε紊流模型数值模拟了行人高度处的流场和浓度场分布，采用MVR、ARSi和K等无量纲指标对流场和浓度场进行了评价，得到以下结论：

（1）单列或多列的架空设计均能有效增加建筑周围行人高度处的MVR，研究区域内沿来流方向最上游建筑的架空对MVR的增加效果更显著，下游建筑的架空效果则逐渐变弱。

（2）架空设计能减小研究区域低风速ARSi，增加中风速和中高风速的ARSi，有2列及以上架空设计对减小低风速ARSi的改善效果更好。架空对与来流风向一致的x向街道的ARSi影响较小，对与来流风向垂直的y向街道的ARSi影响则较大。

（3）当污染源位于建筑群上游地面时，架空设计对行人高度处的K分布影响不大，架空导致的−x向回流使得污染物难以扩散至建筑群内，紧邻污染源的建筑还会因其架空导致该建筑迎风面行人高度处的K显著变小。

需要说明的是，上述结论是基于建筑群上游来流方向和风速保持不变的结果，当来流情况不断变化时，本文结论的有效性还需进一步验证。