基于PHOENICS对高层建筑小区风环境的研究与探讨

1、基于PHOENICS对高层建筑小区风环境的研究与探讨吉林市大地技术咨询有限公司 沈阳建筑大学市政与环境工程学院吕春山 张春阳摘要：本文以某高层居住小区为例，采用数值模拟方法对该小区春季的风速场进行了分析研究；利用模拟分析的结果对过渡季节自然通风的可行性以及居住环境的舒适性进行了评价和优化。 关键词：phoenics；高层建筑；风环境；舒适性评价；优化设计；Abstract : The paper takes one housing estate for example, adopting numerical simulation to analyse the wind field in spr

2、ing; to optimize and evaluate the comfort of the living environment and the feasibility of adopting natural ventilation in transitional season.Keywords : phoenics；High-rise buildings；wind condition；Comfort evaluation；optimized design；1.引言 中国现代民用建筑中，建筑小区的形式已经十分普遍，其中不乏一些高层居住建筑。然而由于建筑物对风流动的阻碍作用，会使风的流向发

3、生急剧的变化，在局部产生较高的风速或漩涡从而影响了室外环境的舒适性。特别是在高层建筑周围局部地区如拐角或通道处的风速大增和紊乱，给周围地区带来严重的风环境问题1：局部地方风速太大可能对人们的生活、行动造成不便，也有可能在某些地方形成旋涡和死角，不利于室内的自然通风，从而形成不好的小区微气候。随着CFD技术和计算机技术的发展，使用计算机对建筑小区的风环境进行模拟成为可能。本文用PHOENICS软件模拟了某高层居住建筑小区风环境，对该小区在过渡季节使用自然通风的可行性以及居住环境的舒适性进行了优化和评价。 2.物理模型与计算区域2.1 数学模型的选取建筑小区内风的流动一般属于不可压缩、低速湍流。常

4、用的数学模型有标准k模型和大涡模拟模型(LES)等。大涡模拟旨在用非稳态的Navier-Stokes方程来直接模拟大尺度涡，但不直接计算小尺度涡，其对计算机的内存和速度要求很高，计算时间也很长。相比之下，标准k模型计算成本低，在数值计算中波动小、精度高，在低速湍流数值模拟中应用较为广泛。因此本文采用标准k模型。其所有的控制微分方程包括连续性方程、动量方程和k方程和方程，可表示为2：湍流粘性系数 （1）连续性方程 （2）动量方程 （3）K方程 （4）方程 （5）表1标准k模型中的系数0.091.441.921.01.32.2 物理模型及计算区域的确定本文采用英国帝国理工学院CHAM研究所开发的P

5、HOENICS软件，依真实地形按1：1的比例制作；模型尺寸为：230m×160m×42m，建筑物编号如图1所示，其中8#、9#、10#、11#、12#、13#为14层的高层建筑；2#、4#、5#、7#层数为8层；3#、6#层数为6层；1#层数为2层。为提高运算速度，做适当简化处理。沿来流方向取一矩形区域，根据经验，选取以下尺寸能满足计算的精度的要求：计算区域高度为最高建筑物高度的3倍，来流方向为最高建筑物高度的5倍，出流方向为最高建筑物高度的10倍，计算区域宽度为建筑物宽度的6倍3，整个计算区域为一长方体区域，尺寸为860m×412m×126m。图1小区

6、建筑模型及编号图2小区模型的网格划分3边界条件的处理（1）来流面梯度风的选取由于地表摩擦的作用，接近地表的风速随着离地高度的减小而降低。只有离地300500m以上的地方，风速才不受地表的影响，可以在大气梯度的作用下自由流动。来流面风速的变化规律以指数率表示为4： （6）其中：UZ为高度Z处的水平方向风速；U0为参考高度Z0处的风速；为由地形粗糙度所决定的幂指数。我国规范将地形分为A、B、C、D四类，其相应的值见表2。表2不同地形的值分类地形A近海海面，海岛，海岸，湖岸及沙漠地区0.12B田野，乡村，丛林，丘陵及房屋较稀疏的中小城及大城市郊区0.16C密集建筑群的城市市区0.2D密集建筑群且房屋

7、较高的城市市区0.3（2）出流面的边界条件假定出流面上的流动已充分发展，流动已恢复为无建筑物阻碍时的正常流动，故其出口压力设为大气压。（3）上空面及两侧面的边界条件由于本文所选取的计算区域较大，故上空面和两侧面的空气流动几乎不受建筑物的影响，因此可设为自由滑移表面。（4） 建筑壁面及下垫面的边界条件本文选取的标准k模型仅适用于离开壁面一定距离的完全湍流区域，在固体壁面附近，由于层流粘性作用影响加强，必须对标准k模型加以修正，本文采用壁面函数法加以修正建筑物边界区。4建筑小区风环境的模拟与分析为了了解春季小区建筑使用自然通风的方式所能达到的效果，本文从小区不同高度方向入手，模拟了风绕过小区建筑体

8、的情况，分析建筑绕流规律，并与不同高度下建筑物时的风场进行比较。查阅当地的气象参数标准，该地春季平均风速为2.6m/s（10m高处的气象数据），风向以东北风为主。由于人活动的区域大部分都位于1.5m高度之间,另选取高层建筑的标准层30m高度位置,本文采用了这两个高度水平面上的模拟结果进行分析和讨论。图3小区风场1.5m高处的速度分布由图3可见，该小区大部分区域的速度均在1.6m/s以下，而在迎风面的拐角处，风速明显升高，可达到2.6m/s；图中显示，建筑与建筑间的东西向过道也产生了较强的过道风。沿主导风向的建筑背风面处的风速则较小，低于0.5m/s。当主导风向吹过建筑的棱角时，在其附近发生绕流

9、，绕流区风速增大，例如4#和5#建筑东侧棱角处风速可达到2.8m/s左右。另外，在1#和2#之间形成自然风道，风速比周围地区高0.4m/s。图4小区风场1.5m高处的压力分布由图4可以看出，在主导风向下，建筑物的背风面形成负压区。特别是4#和5#的背风面负压值可达到-1。由于5#受4#的阻挡，导致5#整个处于负压区包围之中，这样容易造成污染空气的集聚，也不利于污染空气的扩散，环境质量可能会恶化。在2#、3#、4#楼的迎风面压力值要比其他区域高，这也解释了峡谷风的形成以及迎风面风速较大的原因。图5小区风场30m高处的速度分布由图5可见，在30m高度方向上，小区风场只受到8#、9#、10#、11#

10、、12#、13#几栋高层建筑的扰动影响。其中8#、10#、11#、12#位于主导风向的前排，其迎风面风速相对较大，都达到了2.6m/s；由图还可看出，在主导风向下，9#受8#阻挡，13#受11#阻挡，其迎风面风速略有下降，达到2m/s左右。由此可见，因高层建筑一般处于高空，无任何遮挡，可利用风压作用，在高层建筑中，通过过渡季节开窗进行自然通风调节方式，不仅能满足人员对新鲜空气的需要，还可达到节省空调能耗的目的。图6小区风场30m高处的压力分布由图6可见，由于30m高处流场只受到几座高层建筑的扰动，在各高层建筑物主导风向的背风面，负压作用尤为明显，基本可达到负一个大气压的水平。这在种情况下，应尽

11、量避免在负压区有通往房间内区的开口，如门窗等设施，以防止污染空气被吸入室内对人体健康造成危害。图7建筑小区风环境的速度矢量图图8建筑小区风环境的流线分布从图7、8的小区风场速度矢量图以及流线图可以看出：在主导风向下，气流受到建筑物的阻碍作用，其流线向建筑物两侧方向发生偏转，当气流到达迎风面边沿时，速度变大，呈射流状绕过建筑的侧面，特别是当两栋建筑物距离较近时，在两者形成的峡谷之间，流线比较密集，会形成峡谷风效应。而在建筑物的背风面由于负压的影响，可能形成气流旋涡。气流绕过建筑物后，尾流的范围不断加大，最终趋于正常。5结论(1)该建筑小区1.5m高处的流场绝大部分地区的风速在1.6m/s以下，基本满足人体舒适度要求。然而在建筑物拐角附近易发生绕流，绕流区风速较大。 (2)在高层建筑标准层30m处，由于无任何遮挡，可利用风压作用，通过过渡季节开窗进行自然通风调节方式，不仅能满足人员对新鲜空气的需要，还可达到节省空调能耗的目的。(3) 在建筑物主导风向的背风面，负压作用尤为明显。因此，应尽量避免在负压区内有通往房间内区的开口，如门窗等设施，以防止污染空气被吸入室内对人体健康造成危害。参考文献：1 李会知.某高层建筑行人高度风环境试验研究2陶文铨.数值传热学M.西安：西安交通大学出版社，2003.