住宅小區室外嚴寒分析論文

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摘要：室外氣流運動與建筑群規劃的“和諧”設計，成為建筑系統節能和可持續的生態建筑的重要方法之一。利用數值模擬的方法，可以得出住宅小區的室外的速度場、溫度場及污染物分布的詳細情況，對改善人居內外環境意義深遠。本文針對嚴寒地區住宅小區，綜合分析室外風環境的影響因素，建立了室外風環境的物理和數學模型，應用專業CFD軟件FLUENT對此特定的流動物理問題，采用適合于它的數值解法，得到三維速度場和壓力場，在計算速度，穩定性和精度等各方面達到最佳。研究表明，使用數值模擬方法對住宅小區的風環境進行評價和探討，不僅對利用建筑布局改善室外環境有顯著的作用，而且在組織良好的室內通風方面也具有一定意義。

關鍵詞：住宅小區風場數值模擬FLUENT

1引言

隨著我國嚴寒地區低能耗住宅建筑的發展，住宅室內通風換氣問題已不容忽視。一般情況下，室內自然通風的形成，既有熱壓通風的因素，也有風壓通風的原因，從自然通風改善室內空氣品質角度來看，風壓通風對室內氣候條件的效果比較顯著，故應首先考慮如何組織建筑物室外的風壓通風來改善室內熱環境。

2室外風場的物理模型和CFD數值模擬

2.1物理模型

哈爾濱市位于嚴寒地區，冬季持續時間長，且室內空氣質量與室外環境相差較大，故節能住宅建筑的通風關鍵在冬季，本文以哈爾濱地區氣象參數中冬季的主導風向和風速為依據，以哈爾濱市泰海小區44號樓及其周圍4棟建筑物作為室外風場模擬對象，分析住宅小區室外風場的氣流流動情況。模擬建筑物及其周圍四棟樓均為高度為22m的建筑物，如圖1，圖中相應地給出各建筑物在泰海小區中的位置及其建筑物布局。

為建立數學模型，對物理模型作以下假設和簡化：

（1）建筑物外氣流分布取決于來風風速以及風向，建筑尺寸及形狀，以及建筑物開口大小和位置。若開口尺寸小于建筑物立面面積的1/6，三棟建筑可簡化為混凝土塊。

（2）室外氣流為風速梯度分布的低速流范圍，據Boussinesq假設，空氣一般為粘性不可壓縮流體。一次簡化為穩態的紊流氣流流動，考慮到計算機的硬件設備(RAM256M，CPUPⅣ2.4GHz)有限，僅分析最大風速的穩態紊流情況。

2.2CFD數值模擬

FLUENT軟件設計基于“CFD計算機軟件群的概念”，針對每一種流動的物理問題的特點，采用適合于它的數值解法，從而高效率的解決各個領域的復雜流動的計算問題。

FLUENT中提供了下列可供選取的湍流模型：Spalart-Allmaras模型、標準k-ε模型、RNG（重組化群）k-ε模型、可實現k-ε模型、雷諾應力模型（RSM）和大渦模擬模型（LES）。湍流模型選取取決于諸多因素，如流動物理機理、特定類型問題以往的經驗、精度級別的要求、現有的計算機資源和模擬所用時間等。對于住宅小區這樣具有較大的建筑物尺寸和較高的風速的特定條件，室外流動的Re從50.000到100.000變化，為完全發展流動，因此，采用標準k-ε湍流模型。

參見前人對計算模擬區域的經驗設定，室外流動模型模擬區域如下：當所著重模擬的建筑物外表尺寸為1時，模擬區域為上風側為建筑物長度的3倍，下風側為建筑物長度的12倍，兩側寬度為建筑物的3倍，高度為建筑物高度的4倍。幾何建模和網格劃分采用FLUENT的前置處理器－GAMBIT。

建筑物室外風場的來流為哈爾濱地區冬季主導風：風向西南，平均風速為按10米高處風速3.8計算的沿高度遞增的梯度風速。上空面、地面及建筑物表面按光滑壁面設定。方程求解中壓力與速度的耦合采用壓力耦合的半隱方法（SIMPLE），除壓力采用二階迎風格式進行離散外，其他如動量、紊流脈動動能和紊流脈動動能耗散率均采用一階迎風格式進行離散。

圖1哈爾濱泰海小區44號樓及其周圍4棟建筑物平面圖

3結果分析與討論

3.1室外風速矢量場分析

為了研究建筑物周圍不同朝向不同高度處的室外氣流流動情況，分別計算了位于44號樓中的兩個算例：（1）平面高度5.94m（以地面為基準的送風高度）；（2）平面高度19.94m。

由圖2中的速度矢量分布來看，在西南風向的影響下，建筑物群的西南向建筑物處于迎風側，而東北向建筑處于背風側。在建筑物群外側的西北角和東南角以及建筑物群的入口處，速度梯度達到最大值；并在建筑物群背風側的西北角和東南角產生背風渦流區。

建筑物群外側，速度沿南向建筑物的變化規律為：由西向東逐漸增大，在建筑物的拐角處達到最大值；速度沿西向建筑變化規律為：由南向北逐漸增大，在建筑物的拐角處達到最大值。沿西南向建筑物的速度絕對值較大，速度方向變化不大。

在建筑物群外側，速度沿北向建筑物的變化規律為：40號樓側，速度由西向東速度先變小后變大，在建筑物拐角處均達到最大值，速度方向發生180°變化；42號樓側，速度大小始終由西向東增大，且速度大小和方向變化較平緩。速度沿東向建筑物的變化為：由北向南速度大小稍有增加，速度方向基本不變。

算例1：平面高度5.94m算例2：平面高度19.94m

圖244號樓及其周圍4棟建筑物室外風場速度矢量圖及等動壓線圖

注：圖中網格為■的位置分別是44號樓3單元202、702戶南、北向房間位置。

在建筑群內，速度大小變化較小，但方向沿圍護結構變化很大。因此，在左右兩個馬蹄形建筑群內形成了兩個強度相似，但旋轉方向相反的旋渦。

由此可見，在建筑物群外側拐角等銳緣處，來流的速度大小和方向都發生劇烈變化，且在建筑物群背風側形成的渦流區內，速度梯度大，風向不穩定。在建筑物群內，易形成強度較小的旋渦區。

3.2室外風場沿建筑物表面風壓分析

建筑物處于大氣流場中，由于建筑物形狀和空氣粘性等因素的影響，使氣流速度在建筑物的前后發生變化而引起壓強的變化。當風吹響建筑物正面時，因受到建筑物表面的阻擋而在迎風面上產生正壓區，氣流再向上偏轉同時繞過建筑物各側面及背面，在這些面上產生負壓區。因此，當建筑物圍護結構存在開口時，由于壓差作用，室內就會形成自然通風。建筑物周圍的壓力分布通常由無因次風壓系數描述，及建筑物外表面某點的風壓與建筑物同高度出來流風壓之比。

在對44號樓三單元不同平面高度的風壓系數及風壓值的計算結果中，如表1所示。建筑物迎風面的風壓系數及風壓均隨著建筑物高度的增加而增加，且風壓從1.6變化到17.77增幅較大；而建筑物背風面則處于很弱的負壓作用下，風壓系數及風壓均相對較小，風壓作用很弱。對于西向建筑物，由于其同樣具有迎風面與背風面風壓差大，風壓系數變化明顯的特征，因此，風壓系數及風壓變化規律同上。

由此，對于處于建筑物群迎風側的建筑物，沿建筑物垂直方向上的風壓系數和風壓值具有風壓差大，風壓系數變化明顯的特點，因而建筑物高處的通風效果較好。而沿建筑物水平方向上，盡管存在相對不同的風壓系數和風壓值，但變化規律由對速度場的分析可知，亦存在一定變化規律，即：通風方向均為由建筑物群外側到建筑物群內側，且通風效果強。

對于建筑物群背風側的東向和北向建筑物，結合速度矢量分布和風壓分布，采取對個別點的采樣分析計算可知：由于建筑物兩側速度絕對值小，方向變化復雜，風壓系數和風壓沿水平和垂直方向變化均不大，因此，背風面的東北向建筑物具有通風強度較弱，通風方向復雜，規律性不明顯等特點。

表144號樓不同平面高度的風壓系數及風壓值44號樓

房間朝向

通風器高度Z(m)

高度Z處梯度風風速V(Z)(m/s)

模擬風速(m/s)

動壓P(X,Y,Z))(pa)

靜壓P(Z)(pa)

風壓系數Cp(X,Y,Z)

3單元102

南向

2.84

2.3

1.65

1.83

0.23

0.45

北向

2.84

2.3

-0.35

0.08

0.23

-0.05

3單元202

南向

5.94

3.09

2.44

3.99

0.4

0.55

北向

5.94

3.09

-0.47

0.15

0.4

-0.05

3單元302

南向

8.74

3.6

2.84

5.41

0.61

0.55

北向

8.74

3.6

-0.55

0.2

0.61

-0.05

3單元402

南向

11.54

4.02

3.18

6.79

0.79

0.55

北向

11.54

4.02

-0.91

0.56

0.79

-0.02

3單元502

南向

14.34

4.39

3.78

9.59

0.95

0.79

北向

14.34

4.39

-1

0.67

0.95

-0.02

3單元602

南向

17.14

4.71

5.06

17.18

1.1

1.08

北向

17.14

4.71

-1.07

0.71

1.1

-0.02

3單元702

南向

19.94

4.95

5.32

18.99

1.22

1.08

北向

19.94

4.95

-1.13

0.86

1.22

-0.02

綜上所述，哈爾濱泰海小區44號樓及其周圍4棟建筑物，在冬季為西南向主導風的作用下，即：風向投射線與建筑圍護結構法線的交角－風向投射角為45°，綜合考慮風場和渦流區的關系，認為投射角較恰當，建筑物間距（33.66m≈1.5H）適宜。建筑物群迎風側的建筑物通風作用明顯，通風方向穩定，且應根據以上分析合理地布置建筑物周圍環境，改變建筑物周圍的氣流流場，創造良好的建筑物室內外通風環境。對于建筑物群背風側的建筑物，也應通過數值模擬計算分析，研究前棟建筑物的阻擋狀況以及周圍建筑物，尋找特定環境下的通風特點，采取不同的方法和措施，使建筑物室內外獲得良好的自然通風環境。

4總結

對于受多種因素和條件影響的住宅小區室外環境，以及應用廣泛、功能強大的FLUENT軟件，本文僅分析和應用了一小部分內容，隨著計算機技術的發展，綜合考慮室外太陽輻射、建筑周圍綠化等因素將成為生態建筑環境數值研究的一個新方向，而大渦模擬、直接模擬也將會應用的越來越多，使數值模擬技術在實際工程應用中發揮重要作用。

5參考文獻

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