城市冠层内部建筑群风场的模拟

15城市化对城市冠层内部风场的影响流，转变局地的风场构造，对居民日常生活造成影响。城市冠层内的流场构造与湍流分布受人类活动影响最大，跟人类日常生活关增高，导致城市下垫面粗糙度的增大，使得城区的近地面平均风速减小[10][83]。[84]题，也是一个需要考虑的重要因素。咎于城市内部简单的构造，主要的影响因素有：A，大量外形各异的街谷的存在走向大致一样，由于狭管效应，街谷内就会消灭局部的强风区，反之，当来流风得格外简单[85]数H/D来打算，即建筑物的高度H和街谷的宽度D的比值；B，当盛行风吹过城气流、涡动和绕流等现象，从而使得风场的局地变化更为简单；C，交通工具在街道中行驶所产生的气流与热量，也会影响到街区的流场。风是城市建筑物设计以及城市规划中需要慎重考虑的气象因素之一。城区高因而必需认真慎重地考虑风对构造体的动态载重效应以及建筑物外墙的风压分筑物风工程争论的重要课题之一[30,86][42,87]。建筑物四周的流场构造和流速的分布受到诸多因素的影响，包括靠近风的特性、风向、[70,88]堵塞作用而导致的下冲、涡旋、角隅流以及尾流、穿堂风等效应，建筑物构造体[89]热缓慢、空气混浊等环境问题[67,90]。由于经济的高速进展再加以人稠地少，城市间，在空间的安排上也常常承受花园、植栽及水池、喷泉等设计的开放空间，同势较强，而使行人常常暴露在强风之下，则失去了它原先设计的美意，甚至有可能会影响到它的商业业绩。通常状况下，在建筑物或构造体四周，人们往往需要一个开放空间或行人步筑群之间的风场构造，对建后可能导致的环境问题作出科学的评价[91,92]。水洞试验等以及数值模拟计算[93-96][97,98]实可行的争论手段之一。物理模拟试验边界层特性〔2-速gradientwin。2-1不同地况下平均风速随高度的变化示意图节对大气边界层的争论仅限于中性层结的大气边界层。模拟边界层高度内湍流流场的各项重要性质，其中包括平均风速特性及湍流特性。定律，一为指数律〔powerla，另一则为对数律〔logarithmicla：〔1〕指数律〔powerlaw〕U(Z)

Z

(2-1)U 式中U：水平平均风速；Z：地表上的高度；Uδ：大气边界层厚度，在城市下垫面状况下，大小为400－500m；：幂指数，在现行工程应为定值的指数律可适用至梯度风高度，边界层厚度只是指数影响，0.1－0.6之间[99,100]。〔2〕〔logarithmiclaw〕τ 层〔0<Z<Z，Z0.1〕其剪应力值τ

与地外表之剪应0 l l u力值τ

0极为接近，且其横向之风速重量V微小。对边界层横风向的平均风速方Z再加以整理可得luZb *l f

〔2-2〕式中u

：摩擦速度=〔τ /ρ〕0.5；f：科氏力参数；ρ：空气密度；b：常数，0*00.0150.03之间。微气象学争论的一些结果显示，在地表层其平均风速剖面可以下式表示：1U(Z) u1

lnZd

〔2-3〕k * Z00.4vonKarman常数；0为地表粗糙长度〔roughnesslengt；d为零值位移，通常大小为地表粗糙度的2/3～3/4。式〔2-3〕即为通常所称之对数物理模拟试验的相像律在进展物理模拟时的几何、动力及热力的一般相像要求可以从检视分析方法以下诸式：* (*U*)

i 0x*i

〔2-4〕

U* L

P* T Lg it U* i 0 02i

*U*

0 0 0T*g*j x*j

U ijk j 0

x*i

T U2 i0 0 v

u”u”* 0 i i j

〔2-5〕UL

x*x*

x*0 0 k k jT*

T* k v 2T* ”u”U* 0 0 it*

i x* C v

L

x*x*

x*i 0 po 0 0 0 k k i v U2 0 0 *

〔2-6〕U0L0C

(T) 式中：xi：i方向坐标；t：时间；ρ：质量密度；Ui：i方向的局部平均速度；Δ：温度差〔与干绝热递减率之差；g：重力加速度；：运动黏性系数；：p热传导系数；Cθu”:i方向重量；piΦ〔〕0〔〕：无因次纯量。因次参数〔括号中的量〕相等。这些要求可概述如下：〔一〕几何相像律几何相像是使模型与原型各方向特征长度缩尺比例〔〕全都。特性长度包L，边界层的厚度δLu等，几何相像可表示为：(L)m

(L)p

P

(L)u

m(L)uP

〔2-7〕式中〔〕〔〕代表原型。m p〔二〕动力相像律动力相像，是物理模拟中最重要的原则，一般有如下几个：与科氏力〔Coriolisforce〕之比。gL〕相等。Fr代表流体中惯性力与重力之比。e雷诺数〔Reynold’se

/v0

代表流体中惯性力与黏性力之比。普朗特数〔Prandtlnumber,Pr=νo/(ko/ρ0Cpo)〕相等。Pr为流体中黏滞性集中力与热集中力之比。0埃克特数〔Eckertnumber,Ec=U0惯性力与热集中力之比。〔三〕边界条件及靠近流特性相像

2/[Cpo(ΔT)o]〕相等。Ec为流体中特性相像：地表边界条件相像包括：地表粗糙物分布〔包含地表气动粗糙性质〕地形起伏外表温度分布边界层湍流特性相像包括：(b)湍流频谱相像(c)平均及脉动温度分布(e)温度层结相像假设上述诸项相像要求能够同时都得到满足，则从微尺度至中尺度〔10-3~105m〕的气流运动，在一组特定边界条件下，都可以被准确地模拟。但些模拟。由于强风所产生的机械混合作用能破坏大气中的层结现象，而且风场环境的Fr、Pr、Ec等，可以合理地加以无视。谓微小。一般来说，在水平距离小于十公里，垂直距离不超过一公里状况下，此500米的，因此风向随高度的变化可不予以模拟。Re=107~108〔大气边界104时，流场的特性已不受雷诺数大小的影响。风力工程试验〔包括大局部风洞试验105~106之间，可满足试验要求。再者，依Kolmogrov相像理论，当雷诺数轴上绘出时具-5/3要特征，表示流场能量传递机制符合现场状况。大气边界层的物理〔风洞〕模拟大气边界层的物理模拟，通常是使用大型边界层风洞在其长试验段上进展平衡状态。常用的方法是在风洞底板上辅以粗糙元(roughnesselement)，让边界〔UniversityofWesternOntario〕的25m长试验段的风洞为例，铺以2.5~10cm的方块粗糙元〔模拟城市地表状况，所得边界层厚度约为90c；铺以地毯〔乡村地表状况38c1/4001/1000。所以，一〔1或〔2〕被动设施，如阻流板、网格板、角形涡流发生器等来大都凭阅历、以试误法来得到。最可行的方法是承受锥形扰流板〔spire〕与粗糙元搭配方法〔2-。这种方法，一般能得到令人较为满足的平均风速剖面及湍流特性。2-2风洞内产生模拟大气边界层的扰流板与粗糙元2-332.0m,3.0m2.0m，流速范围为1.0m/s21m/s4:124目阻尼网(dampingscreen)。在风洞试验段距进口25.8m处设有直径2.0m的转盘〔turntable，可自由转动。转盘的一侧设有观测室，可透过大型的加强落地窗户对试验进展观测记录〔2-。数值模式(PUMA)〔PUMAPekingUniversityModelofAtmosphericEnvironment〕能够对中尺度、小尺度和微尺度的大气环境进展模市气候模式，目前暂不考虑热力作用。，北京大学环境模拟国家重点试验室环境风洞剖面图，北京大学环境模拟国家重点试验室环境风洞外观图湍流平均方程Navier-Stokes方程为：uxi0i

〔2-8〕u

u 1p i (R)

〔2-9〕t jxj

x x iji jux方向上的平均速度重量i=1,2,，p为空气i iRij

uui

是由于湍流运动而作用空气块上的应力。Reynolds应力表达式应力R按常用的湍流闭合假定，可表示成为ijR 2kij 3 ij

2KSij

u

〔2-10〕Sij

ij

2x

x

K可用湍 j i流淌能k和湍流淌能耗散率，表示成为：KCk2 〔2-11〕其中C为闭合系数。k-ε模式k和ε分别由以下方程给出：ku

R

ui

K k

〔2-12〕t jxj

ijxj

x x2ki k 2k u

K tujxj

c R1k ij

xixj

xk i

c 2

〔2-13〕其中半阅历的系数假定为，c0.09 c11.44 c21.921.0边界条件

1.3xu(z)u (z/10) 〔2-14〕10其中u 为10m高处风速，幂指数为稳定度和粗糙度的函数，一般来说，依靠10于风洞试验的调试结果给出，但在城市中性条件下，可取0.24。在出流边界，取自由流边条件

0,0

〔2-15〕x x x x在钝