1、基于 CFD 的村镇房屋室外风环境模拟分析和优化设计 张兆昌 范旭红 杨帆 王军 袁明洋 江苏大学土木工程与力学学院 摘 要： 与城市居民相比, 村镇居民对室内外自然通风的依赖性更大。村镇房屋由于缺乏规划, 风环境的研究还很少。通过实地测量绘制示范村平面布置图及其周围建筑图, 借助 CFD 模拟分析, 对其室外风场进行定量分析和设计优化。模拟得出:各工况下示范村整体室外风环境良好, 但是由于过渡季来风方向经过东侧工厂区造成空气环境质量较差, 建议示范村东侧增加高大绿化带;大多村镇房屋均围有围墙, 造成夏季一层通风不畅, 建议采用“传统篱笆、栅栏等围合”或者“砖砌+栅栏”等方式。关键词： 村镇房
2、屋; CFD 模拟; 室外风环境; 优化设计; 作者简介：张兆昌 (1990) , 男, 山西人, 硕士, 建筑与土木工程专业, 主要从事绿色建筑与节能科技、抗震减灾等方向研究 () 。收稿日期：2017-02-24基金：国家科技支撑计划项目 (2015BAL02B02) Simulation Analysis and Optimization Design of Outdoor Wind Environment of Rural Houses Based on CFDZHANG Zhao-chang FAN Xu-hong YANG Fan WANG Jun YUAN Ming-yang S
3、chool of Civil Engineering and Mechanics, Jiangsu University; Abstract： Compared with urban residents, the rural residents are more dependent on natural ventilation. Due to the lack of planning, the study of wind environment is very seldom. The paper draws the plan of demonstration village and its s
4、urrounding buildings. By CFD simulation analysis, quantitative analysis and design optimization of outdoor wind field is studied. Simulations show that outdoor wind environment of the demonstration village is good. But in transitional season, wind flows through the East Industrial Zone, causing poor
5、 quality of air environment, so increasing the green belt on the eastern side is proposed; In summer, most rural houses are surrounded by walls, causing a poor ventilation on the first floor, so the use of “traditional fence ”or “1. 5 meters brick wall + fence ”are proposed.Keyword： rural houses; CF
6、D simulation; outdoor wind environment; optimal design; Received： 2017-02-240 引言村镇房屋建设时由于缺乏合理的规划, 村镇房屋布局和个体房屋布置随意性均较大, 加之室外风环境影响因素多且复杂, 导致村镇室外风场多种多样, 风场分布严重不均匀。与城市居民相比, 村镇居民对室内外自然通风的依赖性更大。所以很有必要对村镇房屋的室内外风场进行研究。目前, 房屋风场定量分析主要应用于城市建筑群, 而村镇房屋由于缺乏规划图纸, 这方面的模拟研究还很少。本文通过收集江苏省南山棚子村示范村建筑群信息, 实地测量, 进行示范村平面布置
7、图及其周围建筑的绘制, 采用 PHONICS软件建模, 并对其进行室外风场的定量模拟分析和设计优化。1 基本理论1.1 自然通风原理自然通风是指利用风力造成的风压或建筑内外空气密度差引起的热压来促使空气流动的一种通风方式。1.1.1 风压作用下的自然通风1当风吹向建筑物遇到阻挡时, 风速变小, 在建筑物迎风面上, 风的部分动压转为建筑物表面静压, 导致迎风面的风压大于大气压, 形成正压区。在建筑物屋面、背面、两侧, 由于空气流的旋绕, 这些面上的风压小于大气压, 形成负压区。在实际自然风环境下, 建筑物表面的风压几乎时刻在变化, 无法准确测量其数值, 我们采用典型工况下的风环境进行研究。1.1
8、.2 热压作用下的自然通风由于室内外空气温度不同导致空气密度不同, 造成空气的流动, 这种现象叫因温差形成的热压作用2。1.2 数值模拟原理近年来随着计算机技术的发展, 数值计算已成为评价方法的主流。风环境的数值模拟研究方法主要有节点法、数学模型法、计算流体力学法。计算流体力学法 (CFD) 因其简便快速、准确有效、成本较低等优点使其越来越多地在工程问题上得到应用。CFD 模拟是从微观的角度对某一特定空间进行分析, 利用质量、动量、能量守恒等控制方程, 对流场模型分析求解, 得出其空气流动状况。借助 CFD 对室内外自然通风模拟分析, 可以进行室内外风场定量分析和布局优化, 高效地利用自然通风
9、。本文 CFD 模拟计算采用 PHOENICS 软件推出的 FLAIR 模块进行, 其原理如下。1.2.1 来流边界条件设建筑来流方向风速为均匀分布, 则不同建筑高度上的来流风速大小沿建筑高度按梯度递增。开阔农村或海面大气边界层曲线图如图 1 所示。因此, 不同高度的风速不同, 高度与风速的计算公式如下:图 1 开阔农村或海面大气边界层曲线图3Fig.1 Atmospheric boundary layer curve 下载原图式中:V h为高度 h 处的风速;V0为基准高度 h0处的风速, 一般取 10 m 处的风速;n 为指数。对于空旷农村, 模拟时 n 值取 0.14。1.2.2 出流边
10、界条件建筑出流面上空气的流动按湍流充分发展考虑, 边界条件设定为自由出口。1.2.3 湍流模型选取CFD 方法是针对流体流动的质量守恒、动量守恒和能量守恒建立数学控制方程, 其一般形式如下4:式中的 可以是速度、湍流动能、湍流耗散率以及温度等, 针对不同的方程, 其具体表现形式如表 1 所示。表 1 计算流体力学的控制方程 Table 1 Control equations of computational fluid dynamics 下载原表 1.2.4 收敛判断当连续性方程与动量方程的残差为 1.0E-4 以下, 能量方程的残差为 1.0E-7 以下, CFD 数值模拟代数计算终止。1.
11、3 风环境评价影响房屋风环境的因素包括当地的风速、风向、房屋本身的几何特征、房屋布局, 以及邻近的房屋群、植物等。当空气流遇到障碍物时会下冲、涡漩、缩流、渠化、遮蔽、角流乃至尾流、穿堂风等, 从而造成风场的不均匀。当风速过小时, 易形成无风区;当风速过大时, 易造成人行区活动不舒适、尘土飞扬, 甚至出现部分构件倒塌破坏。文献5调查给出风速和人舒适度之间的关系:当 1 m/s5 m/s 出现频率小于 10%时, 行人基本不会有抱怨, 可认为舒适;当出现频率在 10%20%之间, 行人抱怨会增多;当出现频率大于 20%, 则应采取措施以降低风速。另外, 若在小于 2 m 的范围内平均风速变化达 7
12、0%, 即从低风速区突然进入高风速区, 人对风感觉明显, 舒适度变化较大。所以, 需要通过定量分析判断室外风环境是否对人行活动区不利。本文综合考虑风速、风压两个因素, 对建筑物的室外风环境进行 CFD 模拟分析评价, 分析建筑之间位置关系对室外风环境的影响。2 模拟概述2.1 项目概况本文以江苏省南山棚子村为示范村, 通过收集该示范村建筑群信息, 并进行现场实地测量, 绘制了示范村及其周围建筑平面布置图, 如图 2 所示。图 2 示范村及周围建筑总平面布置图 Fig.2 General layout of demonstration villages and surrounding build
13、ings 下载原图2.2 气候状况该示范村为北亚热带季风气候, 具有四季分明、温暖湿润、热量丰富、雨量充沛的特点, 气候条件比较优越。取 3 种典型工况进行计算, 设定的风向及风速参数如表 2 所示。表 2 模拟工况风速及风向参数表 Table 2 Parameters of w ind speed and direction 下载原表 3 模型建立及模拟参数设定3.1 研究分析方法本文采用 CFD 手段对该示范村室外风环境进行模拟分析, 评价室外流场分布状况。CFD 模拟计算采用 PHOENICS 软件推出的 FLAIR 模块, 该模块是英国 CHAM公司针对建筑及暖通空调专业设计的 CFD
14、 专用模块。3.2 建立模型本文根据绘制的建筑总平面图建立示范村室外风环境模拟模型。模型风场尺寸选择主要以不影响建筑群边界气流的流动为准, 来流方向建筑前方距离计算区域边界要大于 2H (H 为目标建筑高度) , 建筑后方距离计算区域边界要大于 6H, 确定计算区域尺寸 (长宽高) 为 5 094 m3 894 m37.5 m, 模型中 Y 轴正方向为北向。室外风场建筑模型如图 3 所示。图 3 室外风场模型 Fig.3 M odel of outdoor w ind 下载原图3.3 网格划分本文采用 PHOENICS 独特的网格处理技术即 PARSOL 技术, 对室外风场模型图 4进行网格划
15、分。水平网格以 0.5 m 为 1 格, 并对中心区域进行加密;竖直网格以0.3 m 为 1 格, 并对人行高度 2 m 以下按 0.1 m 进行加密6。室外风场网格划分如图 4 所示。图 4 室外风场网格划分 Fig.4 M esh partition of outdoor w ind field 下载原图4 室外风环境模拟结果及分析4.1 工况 1 (冬季主导风向模拟分析) 4.1.1 室外风速评价图 5 为在冬季 3.1 m/s 的东北偏北风场下, 建筑室外 1.5 m 高度处的风速矢量图。图 5 冬季风速矢量图 Fig.5 Wind speed vector in w inter 下载
16、原图由图可见, 该示范村冬季工况下室外最高风速出现在其东北迎风侧, 最大风速约为 4.0 m/s;最低风速出现在其南背风处, 最低风速约为 0.4 m/s;室外风速放大系数最大值约为 1.8, 室外整体通风状况良好。4.1.2 室外风压评价图 6 为在冬季 3.1 m/s 的东北偏北风场下, 项目室外 1.5 m 高度处的风压云图, 等值线间距为 0.625 Pa。由图可见, 该示范村北面风压大约为 1.255.0 Pa, 最大风压分布在建筑物迎风面, 约为 5.0 Pa。最小风压分布在建筑物背风面, 约为-4.0 Pa。此外, 东北向迎风面的房间, 受到两侧风压的影响, 容易引起建筑室内冷风
17、渗透, 故应加强此处房间的门窗密闭性, 并采取相应措施来保证其室内冬季取暖。图 6 冬季风压云图 Fig.6 Wind pressure cloud in w inter 下载原图4.2 工况 2 (过渡季主导风向模拟分析) 4.2.1 室外风速评价图 7 为在过渡季 3.7 m/s 的东南偏东风场下, 项目室外 1.5 m 高度处的风速图。由图可见, 该示范村最高风速出现在迎风面建筑物的两侧, 风速最高可达到4.7 m/s 左右, 风速增大会有利于引入外部空气, 加强自然通风并带走污染物, 保证示范村区域的空气品质。室外最低风速出现在建筑物的背风面, 最低风速可达 0.5 m/s。图 7 过
18、渡季风速矢量图 Fig.7 Wind speed vector in transitional season 下载原图4.2.2 室外风压评价图 8 为在过渡季 3.7 m/s 的东南偏东风场下, 建筑室外 1.5 m 高度处的风压云图, 等值线间距为 1.0 Pa。由图可见, 该示范村东南面风压大约为 1.57.5 Pa, 最大风压分布在建筑物迎风面, 约为 7.5 Pa。最小风压分布在建筑物背风面, 约为-5.5 Pa。图 8 过渡季风压云图 Fig.8 Wind pressure cloud intransitional season 下载原图结论:示范村范围内风速基本处于 0.54.7
19、 m/s, 少部分区域风速较大, 场地内人行活动区没有形成大量无风区或涡旋, 整体气流分布合理。但是, 由于过渡季风向为东南偏东风, 示范村来风方向经过东侧工厂区, 造成工厂区污染气体大量流入示范村, 空气质量降低。因此, 建议示范村和东侧工厂区增加高大绿化景观带, 一方面改变风向、降低风速, 另一方面净化湿润空气, 如图 9 所示。图 9 建议增加高大绿化景观带 Fig.9 Adding tall green landscape belt 下载原图4.3 工况 3 (夏季主导风向模拟分析) 4.3.1 室外风速评价图 10 为在夏季 3.4 m/s 的东南偏南风场下, 建筑室外 1.5 m
20、高度处的风速图。由图可见, 该示范村最高风速出现在迎风面建筑物的两侧, 风速最高可达到4.5 m/s 左右, 风速增大会有利于引入外部空气, 加强自然通风并带走污染物, 保证区域的空气品质。夏季室外最低风速出现在建筑物的背风面, 最低风速为0.5 m/s。示范村风速基本处于 0.54.5 m/s, 整体气流分布合理, 没有形成涡旋或无风区, 建筑物周边风场状况良好。图 1 0 夏季风速矢量图 Fig.10 Wind speed vector in summer 下载原图4.3.2 室外风压评价图 11 为在夏季 3.4 m/s 的东南偏南风场下, 建筑室外 1.5 m 高度处的风压云图, 等值
21、线间距为 1.0 Pa。由图可见, 该示范村东南面风压大约为 16 Pa, 最大风压分布在建筑物迎风面, 约为 7 Pa。最小风压分布在建筑物背风面, 约为-6.5 Pa。结论:示范村夏季自然通风效果良好, 但由于实际中大多房屋均围有围墙, 造成夏季一层通风不畅, 建议采用“传统篱笆、栅栏等围合”或者“1.5 m 砖砌+栅栏”等方式, 如图 12 所示。图 1 1 夏季风压云图 Fig.11 Wind pressure cloud in summer 下载原图图 1 2 建议围墙形式 Fig.12 Proposed fence form 下载原图5 结论本文通过实地测量绘制示范村及其周围建筑平
22、面图, 借助 CFD 模拟分析, 对其室外风场进行定量分析和设计优化。模拟得出:(1) 各工况下示范村整体室外风环境良好;(2) 在过渡季, 由于示范村来风方向经过东侧工厂区造成空气环境质量较差, 建议示范村东侧增加高大绿化带;(3) 在夏季, 大多村镇房屋均围有围墙, 造成一层通风不畅, 建议采用“传统篱笆、栅栏等围合”或者“砖砌+栅栏”等方式。参考文献1ASHRAE Handbook Fundamentals 2001.American Society of Heating, Refrigerating and Air Condition EngineersC.Atlanta GA, 2001. 2刘加平.室内热环境设计M.北京:机械工业出版社, 2005:79-82. 3GB500092012, 建筑结构荷载规范S. 4王瑞金, 张凯, 王刚.Fluent 技术基础与应用实例M.北京:清华大学出版社, 2007. 5埃米尔希缪, 罗伯特H斯坎伦.风对结构的作用-风工程导论M.上海:同济大学出版社, 2007:67-70. 6朱颖心.建筑环境学M.北京:中国建筑工业出版社, 2005. 7马舰, 陈丹.某居住建筑室外风环境模拟分析J.建筑节能, 2014, (5) :40-42.
