不同建筑架空影响街区行人阵风环境的研究

洪萍  刘建麟
东华大学环境科学与工程学院，东华大学暖通空调研究所

       【摘  要】超大型城市中，建筑架空已证明可有效改善行人风环境，但城市街区建设形式复杂多样增加了架空效果的不确定性。本文通过RNG k- 模型模拟对比了由无架空、 N-型和M-型三种不同建筑架空构成的街区形态下的风环境，数值模拟方法与经典风洞实验数据验证得其相关系数为0.83。进一步分析三种形态下行人区无量纲时均风速场、湍流强度场和阵风风速场。结果表明N-型街区对比无架空和M-型街区的湍流强度差异最大，但其街区内的阵风场仍满足行人活动的风安全需求。

       【关键词】建筑架空；行人区；湍流强度；阵风风速

       【基金项目】国家自然科学基金（No. 52008079）

0 引言 

       随着城镇化的不断加剧，高且密集的城市建筑群阻碍了空气的流动，使得城市中心区域的风速过低。同时各种人为热排放、水泥沥青地面的使用、绿色植被的减少和玻璃幕墙的大量使用都加剧了城市热岛^[1]。为了减缓城市热岛效应，建筑架空这一由架空支柱将建筑架起在建筑与地面之间形成架空层的建筑形式被广泛用于亚热带南部城市。刘等^[2]报道了单栋架空建筑有无周围建筑情况下风场的分布，并指出建筑架空能提高行人高度处的风速和湍流强度。同时，该团队还讨论了不同架空高度及来流风向^[3]对行人微气候的影响，并进一步探究了不同湍流模型例如LES^[4]、DDES^[5]预测风场的准确性和经济性。另外，随着近年大数据算法的发展，也有研究结合人工神经网络、遗传算法和计算流体动力学 (CFD)来综合模拟影响行人风舒适的各项参数以达到优化建筑架空设计的目的^[6]。然而，现有研究中多报道单栋架空建筑，普遍忽视了城市街区形式的多样复杂会增加了架空设计改善风环境效果的不确定性。本文提出三种不同有多栋架空建筑的阵列架空建筑形式，通过与经典风洞实验数据对比验证模型的有效性并进行网格独立性验证，利用其边界条件进行数值模拟，引入风速比，平均湍流强度和阵风风速来评价不同街区布局的阵风环境。

1 数值模型

       1.1 湍流模型方程

       随着计算机性能和配置的不断完善和提高，计算流体动力学 (CFD) 广泛地运用于各类学科当中，其中用于建筑物周围风场预测的最广泛的湍流模型是雷诺时均 (RANS) 湍流模型。RNG k -ε模型与标准k -ε模型方程形式相似，前者对后者进行了以下三方面的修正。首先，RNG k -ε模型在方程中增加了一项，提高了精度；其次，此模型提供一个分析紊流普朗特数的公式 (不同于标准k -ε模型中的常数)；第三，考虑到低雷诺数效应，选用恰当的壁面函数可以使得模拟结果更加准确^[7]。RNG k -ε模型控制方程如下:

       连续性方程：

       

       动量方程：

       

       式中：u_i 是x方向上的分速度; p,ρ, T,μ,μ_t和gi分别为压力、密度、温度、动力粘度、湍流粘度和重力。

       湍流动能和湍动能耗散率守恒方程如下：

       

       式中：C_μ = 0.0845；σ_k= 0.7194；σ_ε= 0.7194；C_ε1= 1.42；C_ε2 = 1.68。

       1.2 湍流模型验证

       风场的湍流模型验证实验数据来源于日本建筑协会的风洞实验^[8]。图1 (a) 显示了风洞中的建筑布置情况，每一个小方块代表一个建筑模型，其尺寸为0.2m (D1) × 0.2m (W1) × 0.2m (H)。图1 (b) 显示了在X-Y平面z/H = 0.1 (风洞实验中z = 0.02m) 处的120个测量点。最终模拟的速度结果将与这120点的实验测量风速值进行比较。

图1 (a)九栋建筑模型布置图，(b)120个监测点布置图

       根据COST Action 732 指南的建议[9]，对于验证和目标模拟的计算域有以下安排：计算域的入口边界、上边界和左右边界距离建筑群外边缘的距离均为5H(H为建筑最高高度)，出口边界距离建筑群背风侧15H。最终计算域的大小为25H × 15H × 6H。网格独立性验证的详细安排见表1。

表1 独立性检验的网格布置

       *l指的是网格第一节点到壁面的距离，H = 0.2m。

       1.3 建筑架空物理模型

       本文所研究的对象——建筑架空示意图如图3所示，单个建筑尺寸为100 mm (D) × 100 mm (W) × 200 mm (H)，相邻建筑之间的距离为100 mm (B)。架空支柱的尺寸为20 mm (d) × 20mm (w)。沿着风吹过来的方向，将每列建筑从左到右依次命名为C1到C5。表2 显示了三种不同形态的建筑布局形式，Type 1 (无架空)，即所有的建筑均没有被架空；Type 2 (N-型)，C2和C4列的建筑被架空10mm；Type 3 (M-型)，C2和C4列的建筑被架空10mm，C3列的建筑被架空20mm。

图2 阵列建筑布局形式和架空建筑示意图
表2 三种架空建筑形式的布置

       1.4 边界条件

       入口风廓线边界条件是根据实验测得的数据进行拟合所得到的，具体如下：

       

       式中，u(z)表示z高度处的风速值，uH = 3.65m/s。

       图3为入口风廓线。计算域的入口边界条件为速度入口(采用UDF输入)，出口边界条件为outflow，地面和墙壁为无滑移边界条件，其余面为对称边界条件。当y+ < 5时壁面采用增强壁面函数。

图3 (a) 速度风廓线；(b) 湍动能风廓线

       本研究均采用商用软件ANSYS Fluent 16.0进行计算。收敛准则为连续的残差为10−5，速度、湍动能及湍动能耗散率的残差为10−6。

2 结果分析

       2.1 网格独立性检验的结果

       图4为X-Y平面z/H = 0.1处三条直线(x/H = 1.25, 3.5, 3.75)的速度分布。模拟结果与风洞实验实测结果吻合较好。Case b和Case c的结果更接近风洞实验测量所得到的数据，模拟与风洞实验120个测量点的相关系数为0.83。

图4 模拟值与风洞值对比：(a) x/H = 1.25；(b) x/H = 3.5；(c) x/H = 3.75

       2.2 架空支柱周围局部风速被放大

       图5显示了X-Y平面z/H = 0.025 (行人高度处) 风速比的云图，风速比的定义为VRw = up/uref (up表示为点p处的风速值，uref为参考风速2.434m/s)。

图5 风速比云图，(a) 无架空；(b) N-型；(c)M -型

       整体来看，三种类型风速度比云图分布相似，高风速比 (1.3-1.5) 集中在迎风侧第一列相邻两栋建筑之间，低风速比 (0-0.2) 主要分布在建筑背风侧的尾流区。VRW在0.4左右集中在相邻建筑物之间，VRW在0.6 - 1之间的值分布在远离建筑物阵列的区域。

       风可以自由穿过由架空支柱所创造空间， N-型中第二列建筑物和M-型第四列建筑下的VRW接近0.5，表明在架空支柱周围有空气的扰动但是并不强烈。除这两列以外其他架空建筑下的风速比接近于0，表示该处扰动非常微弱。对于相邻建筑之间区域周围的VRW，N-型的VRW在0.3 - 0.5之间出现在第三列建筑之前，与M-型的VRW完全不同，M-型的VRW出现在第三列建筑之后。

       2.3 架空建筑下湍流强度较弱

       图6 (a) 显示的七条线分别是行人高度处x/H = 0.75 (L1)， 1.75 (L2)， 2.75 (L3)， 3.75 (L4)， 4.75 (L5)， 5.75 (L6)， 6.75 (L7)，图7 (b) 表示每条线上湍流强度的平均值。三种建筑形式的平均湍流强度在L3之前都较高 (N-型在L1处达到峰值50%)，L3之后有所下降，L5之后又有所增加。其原因可能是入口气流附近风速越高，扰动越强。当风吹过多栋建筑后，风速逐渐减小，而在最后一列建筑物背风面出现回流，扰动增强。N-型的平均湍流强度是三种建筑形式中最大的 (只有在L3, 该值小于M-型的平均湍流强度)。无架空建筑形式的湍流强度分布与M-型相类似，其值大约在20% - 30%左右。

图6 (a) 七条特征线位置；(b) 湍流强度平均值

       图7显示了行人层高度处不同建筑形式周围湍流强度的云图。三种形式背风面的湍流强度均在20%和30%左右，在第一列建筑物的两侧和迎风侧都有较高的湍流强度 (其值在80%左右)，多数区域湍流强度在60%以下。N-型中，湍流强度最低 (接近0) 的深蓝色区域出现在第四列建筑物下。第二列建筑下架空支柱周围湍流强度增加到60%。而M-型的湍流强度分布情况完全不同。湍流强度出现在第四列建筑物下，低湍流强度区域聚集在第二列建筑架空支柱周围。结合图5的风速比云图来看，风速越大，湍流强度越大。

图7 湍流强度云图，(a) 无架空；(b) N-型；(c)M -型

       2.4 阵风安全性评估

       阵风是指在短时间内无规律吹过的风。当阵风速度不大时对于行人没有太大影响，一旦风速过大可能会使人感到不适。阵风风速的数值大致等于风速仪所记录的峰值风速。

        

       式中，表示阵风风速，u为平均风速，为z高度处的湍流强度。为阵风系数，取3.5^[10]。

       图8为X-Y平面z/H = 0.025处的阵风与参考风速的比值 () 分布廓线。第二列建筑物之间u/uref的值最大为2.5左右，两种架空建筑形式下u/uref大约在0.5 - 1之间。这种分布与归一化风速廓线的分布相似，表明这两个参数之间有很强的联系。

图8 阵风分布云图；(a) N-型 ； (b) M-型

       在炎热潮湿的夏季，当环境风速小于1.5m/s，或风速过大将高处的物品刮落、扬起地面的灰尘和垃圾影响行人走路或休息。Du等人^[11]的研究提出基于香港的风舒适标准：能够让人接受的风速比为3.6/uref (本研究中为1.48)，无法忍受的风速比为7.6/uref (本研究中为3.12)以及危险的风速比为15/uref (本研究中为6.16)。显然本研究中阵风风速比的峰值为3.5左右，且仅限于靠近入口处的部分行人通道。至于架空支柱周围的阵风风速比均为3以下，是可以让人接受且安全的。

3 结 语

       使用稳态雷诺时均方法对三种有不同架空形式的街区形态的风速比、平均湍流强度和阵风风速分布进行了模拟分析。研究结果如下:

       (1) 风可以自由地通过架空建筑下方，N-型第二列和M-型第四列架空建筑行人区周围风速比较大，约为0.5；

       (2) 与其他两类建筑架空形式相比，N-型的平均湍流强度最大，约为30% ~ 50%之间。无架空和M-型建筑架空形式的湍流强度分布比较相似。

       (3) 阵风与平均风速和湍流强度有较强的相关性，N-型和M-型街区的阵风速度比在架空支柱周围均低于3，是安全且可以接受的。

参考文献

       [1] Akbari, H & Dionysia, Dionysia. Three decades of urban heat islands and mitigation technologies research [J], Energy and Buildings, 2016(133): 834-842.
       [2] Liu, JL, Zhang, XL, Niu, J & Tse, K.T. Pedestrian-level wind and gust around buildings with a ‘lift-up’ design: assessment of influence from surrounding buildings by adopting LES [J], Building Simulation, 2019(12): 1107-1118.
       [3] 刘建麟，牛建磊，张宇峰. 建筑架空高度及风向对行人微气候的影响评估[J]. 建筑科学, 2017，33（12）: 117-124.
       [4] Liu, JL, Niu, JL & Du, et, al. LES for pedestrian level wind around an idealized building array: Assessment of sensitivity to influencing parameters [J]. Sustainable Cities and Society, 2019(44), 406-415.
       [5] Liu,JL & Niu, JL. Delayed detached eddy simulation of pedestrian-level wind around a building array-The potential to save computation resources [J]. Building and Environment. 2019(152), 28-38.
       [6] Weerasuriya, A. U, Zhang, XL & Bin, Lu., et al. Optimizing lift-up design to maximize pedestrian wind and thermal comfort in ‘hot-calm’ and ‘cold-windy’ climates [J], Sustainable Cities and Society, 2020(50).
       [7] ANSYS. (2015). ANSYS FLUENT Theory Guide.
       [8] Architectural Institute of Japan. AIJ benchmarks for validation of CFD simulations applied to pedestrian wind environment around buildings, Tokyo, Japan: Architectural Institute of Japan. 2016.
       [9] Franke, J, Hellsten, A & Schlünzen, H, et al. Best practice guideline for the CFD simulation of flows in the urban environment. COST Action 732: Quality assurance and improvement of microscale meteorological models. COST Office Brussels. 2007.
       [10] Melbourne, W. H. Criteria for environmental wind conditions [J], Journal of Wind Engineering and Industrial Aerodynamics, 1978(3): 241–249.
       [11] Du, Y. X, Mak, C. M. & Kwok, K., et al. New criteria for assessing low wind environment at pedestrian level in Hong Kong [J], Building and Environment. 2017(123): 23-36.

       备注：本文收录于《建筑环境与能源》2021年4月刊 总第42期（第二十届全国暖通空调模拟学术年会论文集）。版权归论文作者所有，任何形式转载请联系作者。