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1、从本学科出发，应着重选对国民经济具有一定实用价值和理论意义的课题。课题具有先进性，便于研究生提出新见解，特别是博士生必须有创新性的成果严寒地区住宅小区室外风场的数值模拟分析 摘要： 室外气流运动与建筑群规划的“和谐”设计，成为建筑系统节能和可持续的生态建筑的重要 方法 之一。利用数值模拟的方法，可以得出住宅小区的室外的速度场、温度场及污染物分布的详细情况，对改善人居内外环境意义深远。本文针对严寒地区住宅小区，综合 分析 室外风环境的 影响 因素，建立了室外风环境的物理和数学模型， 应用 专业CFD软件FLUENT对此特定的流动物理 问题 ，采用适合于它的数值解法，得到三维速度场和压力场，在 计
2、算 速度，稳定性和精度等各方面达到最佳。 研究 表明，使用数值模拟方法对住宅小区的风环境进行评价和探讨，不仅对利用建筑布局改善室外环境有显著的作用，而且在组织良好的室内通风方面也具有一定意义。 关键词： 住宅小区 风场 数值模拟 FLUENT 1 引言 随着我国严寒地区低能耗住宅建筑的 发展 ，住宅室内通风换气问题已不容忽视。一般情况下，室内 自然 通风的形成，既有热压通风的因素，也有风压通风的原因，从自然通风改善室内空气品质角度来看，风压通风对室内气候条件的效果比较显著，故应首先考虑如何组织建筑物室外的风压通风来改善室内热环境。 室外风场的物理模型和CFD数值模拟 .1 物理模型 哈尔滨市位
3、于严寒地区，冬季持续时间长，且室内空气质量与室外环境相差较大，故节能住宅建筑的通风关键在冬季，本文以哈尔滨地区气象参数中冬季的主导风向和风速为依据，以哈尔滨市泰海小区44号楼及其周围4栋建筑物作为室外风场模拟对象，分析住宅小区室外风场的气流流动情况。模拟建筑物及其周围四栋楼均为高度为2m 的建筑物，如图1，图中相应地给出各建筑物在泰海小区中的位置及其建筑物布局。 为建立数学模型，对物理模型作以下假设和简化： 建筑物外气流分布取决于来风风速以及风向，建筑尺寸及形状，以及建筑物开口大小和位置。若开口尺寸小于建筑物立面面积的1/6，三栋建筑可简化为混凝土块。 室外气流为风速梯度分布的低速流范围，据B
4、oussinesq假设，空气一般为粘性不可压缩流体。一次简化为稳态的紊流气流流动，考虑到计算机的硬件设备(RAM256M，CPUP)有限，仅分析最大风速的稳态紊流情况。 .CFD数值模拟 FLUENT软件设计基于“CFD计算机软件群的概念”，针对每一种流动的物理问题的特点，采用适合于它的数值解法，从而高效率的解决各个领域的复杂流动的计算问题。 FLUENT中提供了下列可供选取的湍流模型：Spalart-Allmaras模型、标准 k- 模型、RNG k- 模型、可实现 k- 模型、雷诺应力模型和大涡模拟模型。湍流模型选取取决于诸多因素，如流动物理机理、特定类型问题以往的经验、精度级别的要求、现
5、有的计算机资源和模拟所用时间等。对于住宅小区这样具有较大的建筑物尺寸和较高的风速的特定条件，室外流动的Re从到变化，为完全发展流动，因此，采用标准 k- 湍流模型。 参见前人对计算模拟区域的经验设定，室外流动模型模拟区域如下：当所着重模拟的建筑物外表尺寸为1时，模拟区域为上风侧为建筑物长度的3倍，下风侧为建筑物长度的12倍，两侧宽度为建筑物的3倍，高度为建筑物高度的4倍。几何建模和网格划分采用FLUENT的前置处理器GAMBIT。 建筑物室外风场的来流为哈尔滨地区冬季主导风：风向西南，平均风速为按10米高处风速3. 计算的沿高度递增的梯度风速。上空面、地面及建筑物表面按光滑壁面设定。方程求解中
6、压力与速度的耦合采用压力耦合的半隐方法，除压力采用二阶迎风格式进行离散外，其他如动量、紊流脉动动能和紊流脉动动能耗散率均采用一阶迎风格式进行离散。 图1 哈尔滨泰海小区44号楼及其周围4栋建筑物平面图 结果分析与讨论 .1 室外风速矢量场分析 为了研究建筑物周围不同朝向不同高度处的室外气流流动情况，分别计算了位于44号楼中的两个算例：平面高度；平面高度。 由图2中的速度矢量分布来看，在西南风向的影响下，建筑物群的西南向建筑物处于迎风侧，而东北向建筑处于背风侧。在建筑物群外侧的西北角和东南角以及建筑物群的入口处，速度梯度达到最大值；并在建筑物群背风侧的西北角和东南角产生背风涡流区。 建筑物群外侧
7、，速度沿南向建筑物的变化 规律 为：由西向东逐渐增大，在建筑物的拐角处达到最大值；速度沿西向建筑变化规律为：由南向北逐渐增大，在建筑物的拐角处达到最大值。沿西南向建筑物的速度绝对值较大，速度方向变化不大。 在建筑物群外侧，速度沿北向建筑物的变化规律为：40号楼侧，速度由西向东速度先变小后变大，在建筑物拐角处均达到最大值，速度方向发生180变化；42号楼侧，速度大小始终由西向东增大，且速度大小和方向变化较平缓。速度沿东向建筑物的变化为：由北向南速度大小稍有增加，速度方向基本不变。 算例1：平面高度 算例2：平面高度图24号楼及其周围4栋建筑物室外风场速度矢量图及等动压线图注：图中网格为的位置分别
8、是44号楼3单元202、702户南、北向房间位置。 在建筑群内，速度大小变化较小，但方向沿围护结构变化很大。因此，在左右两个马蹄形建筑群内形成了两个强度相似，但旋转方向相反的旋涡。 由此可见，在建筑物群外侧拐角等锐缘处，来流的速度大小和方向都发生剧烈变化，且在建筑物群背风侧形成的涡流区内，速度梯度大，风向不稳定。在建筑物群内，易形成强度较小的旋涡区。 .室外风场沿建筑物表面风压 分析 建筑物处于大气流场中，由于建筑物形状和空气粘性等因素的 影响 ，使气流速度在建筑物的前后发生变化而引起压强的变化。当风吹响建筑物正面时，因受到建筑物表面的阻挡而在迎风面上产生正压区，气流再向上偏转同时绕过建筑物各
9、侧面及背面，在这些面上产生负压区。因此，当建筑物围护结构存在开口时，由于压差作用，室内就会形成 自然 通风。建筑物周围的压力分布通常由无因次风压系数描述，及建筑物外表面某点的风压与建筑物同高度出来流风压之比。 在对44号楼三单元不同平面高度的风压系数及风压值的 计算 结果中，如表1所示。建筑物迎风面的风压系数及风压均随着建筑物高度的增加而增加，且风压从1. 变化到 增幅较大；而建筑物背风面则处于很弱的负压作用下，风压系数及风压均相对较小，风压作用很弱。对于西向建筑物，由于其同样具有迎风面与背风面风压差大，风压系数变化明显的特征，因此，风压系数及风压变化 规律 同上。 由此，对于处于建筑物群迎风
10、侧的建筑物，沿建筑物垂直方向上的风压系数和风压值具有风压差大，风压系数变化明显的特点，因而建筑物高处的通风效果较好。而沿建筑物水平方向上，尽管存在相对不同的风压系数和风压值，但变化规律由对速度场的分析可知，亦存在一定变化规律，即：通风方向均为由建筑物群外侧到建筑物群内侧，且通风效果强。 对于建筑物群背风侧的东向和北向建筑物，结合速度矢量分布和风压分布，采取对个别点的采样分析计算可知：由于建筑物两侧速度绝对值小，方向变化复杂，风压系数和风压沿水平和垂直方向变化均不大，因此，背风面的东北向建筑物具有通风强度较弱，通风方向复杂，规律性不明显等特点。 表14号楼不同平面高度的风压系数及风压值 44号楼
11、 房间朝向 通风器高度Z(m) 高度Z处梯度风风速V(Z)(m/s) 模拟风速(m/s) 动压P(X,Y,Z)(pa) 静压P (Z)(pa) 风压系数Cp(X,Y,Z) 3单元102 南向 北向 - - 3单元202 南向 北向 - - 3单元302 南向 北向 - - 3单元402 南向 北向 - - 3单元502 南向 北向 -1 - 3单元602 南向 北向 - - 3单元702 南向 北向 - - 综上所述，哈尔滨泰海小区44号楼及其周围4栋建筑物，在冬季为西南向主导风的作用下，即：风向投射线与建筑围护结构法线的交角风向投射角为45，综合考虑风场和涡流区的关系，认为投射角较恰当，建筑
12、物间距适宜。建筑物群迎风侧的建筑物通风作用明显，通风方向稳定，且应根据以上分析合理地布置建筑物周围环境，改变建筑物周围的气流流场，创造良好的建筑物室内外通风环境。对于建筑物群背风侧的建筑物，也应通过数值模拟计算分析， 研究 前栋建筑物的阻挡状况以及周围建筑物，寻找特定环境下的通风特点，采取不同的 方法 和措施，使建筑物室内外获得良好的自然通风环境。 总结 对于受多种因素和条件影响的住宅小区室外环境，以及 应用 广泛、功能强大的FLUENT软件，本文仅分析和应用了一小部分 内容 ，随着计算机技术的 发展 ，综合考虑室外太阳辐射、建筑周围绿化等因素将成为生态建筑环境数值研究的一个新方向，而大涡模拟
13、、直接模拟也将会应用的越来越多，使数值模拟技术在实际工程应用中发挥重要作用。 参考 文献 1 Yi Jiang, Qingyan Chen. Effect of fluctuating wind direction on cross natural ventilation in buildings from large eddy simulation. Building and Environment7(XX)379-386. . James , Steven J Emmerich, George Modeling the Performance of a Naturally Ventilated Commercial Building with a Multizone Coupled The rmal/Airflow Simulation Tool. ASHRAE00HI-02-21-4 . Samir Computational study of nature ventilation. Journal of engineering industrial aerodynamics2(1999)49-68 . 孙一坚主编. 简明通风设计手册. 中国 建筑 工业 出版社 . 赵福云,汤广发,周安伟.住宅小区热环境数值分析风环境的数值模拟.全国暖通空
