基于CFD的赣南住宅风环境模拟系统设计

蔡丽蓉 张红婴

摘  要：
風环境的情况关系到居住体验，所以设计基于CFD的赣南住宅风环境模拟系统，提高居民居住质量。考虑到受热压和风压影响的自然通风原理，在风环境模拟系统中利用CFD数值模拟分析赣州于都县恒大御景小区风环境的流场湍流特性，将该特性和住宅建筑风流场模型导入建筑通风斯维尔Vent 2018软件后，展开住宅风环境的三维流动数值模拟，确立住宅风环境的来流面边界条件以及出流面边界条件，确保住宅风环境模拟更加真实。同时，从建筑平面布局、建筑通风窗设计以及热压通风三方面研究恒大御景小区自然通风设计策略。通过模拟实验得出该小区夏季住宅外风速小于等于4.9 m/s，风速最大值为4.621 m/s，冬季迎风面与背风面的风压分别为4.903 Pa和-3.749 Pa，并且有效模拟该小区风速同人体舒适度关系，分析小区各季节的风环境舒适度。

关键词：
风环境模拟; 系统设计; CFD; 数值模拟; 自然通风设计; 模拟实验

中图分类号：
TN911?34; TU119                   文献标识码：
A                      文章编号：
1004?373X（2020）18?0121?04

Abstract：
As the wind environment is related to the living experience， a CFD?based wind environment simulation system for residential buildings in south Jiangxi is designed to improve the living quality of residents. Considering the principle of natural ventilation affected by thermal pressure and wind pressure， the CFD numerical simulation is used in the wind environment simulation system to analyze the turbulent characteristics of flow field of the wind environment in Evergrande Yujing residential quarter， Yudu County， Ganzhou. The characteristics and the wind flow field model of residential buildings are introduced into the software of building ventilation Sville Vent 2018， and then the numerical simulation of 3D flow of wind environment for residential building is carried out， the boundary conditions of incoming flow surface and outgoing flow surface of wind environment of the residential buildings are established， so as to ensure that the simulation of wind environment of residential building is more realistic. At the same time， the natural ventilation design strategy of Evergrande Yujing residential quarter is studied from three aspects of architectural plane layout， building ventilation window design and thermal pressure ventilation. The simulation experiments results show that the wind speed outside the residential area in this residential quarter in summer is less than or equal to 4.9 m/s， the maximum wind speed is 4.621m/s， and the wind pressure on the windward side and leeward side in winter is 4.903 Pa and -3.749 Pa， respectively. The relationship between the wind speed of this residential quarter and human comfort is effectively simulated， and the wind environment comfort of this residential quarter in each season is analyzed.

Keywords：
wind environment simulation; system design; CFD; numerical simulation; natural ventilation design; simulation experiment

0  引  言

赣南地区主要指江西省赣州市下辖的1县级市3区14县，其与广州接壤，历史悠久，风光迤逦，矿产丰富，属于亚热带季风气候，地形多以盆地、山地、丘陵为主，气候温和，夏季雨量充足，热量高，冬季潮湿阴冷，全年日照1 810 h，年降水量约1 605 mm，昼夜温差大。基于赣南夏季湿热，冬季湿冷的特点，在住宅建设中对风环境要求很高[1]。

住宅区域内人流量大，活动频繁，作为高大建筑，住宅本体对风有一定的遮挡作用，影响风速和走向，如楼群拐角位置的风往往大于楼群间道路上的风[2]。无论住宅室外整体环境还是住宅本身，都在各种程度上受到风环境的影响，过大的风速会导致高频噪声和寒冷的体感，但如果风速过小又不能达到降温通风去湿去味的作用，就会降低住户的舒适性。针对这些问题，当前设计住宅时越来越把风环境作为重要的参考因素，在保证室外风环境良好，住宅设计趋于合理的情况下，起到节能减排保护环境的作用[3]。

本文以江西省赣州市于都县恒大御景小区为研究对象，采用CFD工具模拟其风环境，设计风环境模拟系统，研究该小区住宅风环境。

1  建立模型

1.1  实验对象数据

本文选取的住宅区域为江西省赣州市于都县恒大御景小区，位于思源大道与大昌路交汇处，占地面积7万余m2，建筑面积2万余m2，整体建筑俯视图见图1。北部5栋是高层住宅，最南部3栋是低层洋房，中间位置楼高适中。受亚热带季风湿润气候影响，夏季高温多雨，以西南风为主，冬季潮湿低温，以西北风为主[4]。

1.2  计算模型

为节约成本，缩短模拟周期，并且適用于住宅风环境，采用数值模拟方法对赣州市于都县恒大御景小区住宅风环境展开分析。

模拟实际建筑工程风环境流场湍流特性时，常运用CFD（Computational Fluid Dynamics），即计算流体动力学，为获得目的物理量近似值，需要使用计算机给住宅本体及周边环境建立计算模型并进行数值求解[5]。为建立包含能量守恒方程、流体连续性方程、动量守恒方程的基本控制方程组（此方程组可表达气流运动特性），需要了解住宅外部风环境流场湍流特性，其方程的具体表达式如下：

式中：温度和通用因变量分别用[θ]和[ν]表示;密度和速度矢量分别用[χ]和[T]描述;[η]和[F]分别表示广义源项和广义扩散系数。

本文模拟分析恒大御景小区人行高度1.5 m位置的风环境，使用的软件是建筑通风斯维尔Vent 2018，运用的数值模拟方法为[k?ε]湍流模型，采用该模型的原因是住宅小区区域空气流动为低速湍流，不能压缩[6]。将CFD模拟的住宅小区住宅流场湍流特性以及住宅建筑风流场模型导入Vent 2018软件后展开三维流动数值模拟（风速、风压）。若要搭建精简的住宅外风场模型，需要把对风环境干扰较小的拐角和凸起精简化，精简前要对住宅周围地理环境、住宅外形与位置进行考量[7?8]，构建的精简住宅风流场模型见图2。

1.3  自然通风原理

自然通风是住宅的一种通风方式，其原理有2种：一种是住宅内与住宅外空气密度有差异导致热压[9];另一种是风力引起的风压导致的。这2种压力都能促进空气流动产生自然通风[10]。

1） 热压原理的自然通风

这种自然通风又叫作温差导致的热压作用，其原理是空气密度在室内外温差下出现变化，导致空气出现流动形成的热压自然通风[11]。

2） 风压原理的自然通风

风压分为正压和负压，正压的形成是由于住宅遮挡住迎面吹来的风，降低了风速，住宅迎风面产生由部分风动压转化而成的静压，住宅迎风面大气压低于风压;负压的形成则是由于旋绕的空气流，导致背风面大气压高于风压。由于实际情况下风环境千变万化，因此本文考虑的风环境为常规情况。

1.4  处理边界条件

为了使住宅风环境模拟更接近现实，对边界条件的正确确立是运用CFD模拟住宅风环境的重点之一。将住宅小区的平均风速作为输入模拟住宅的条件，此平均风速是通过风玫瑰图把住宅区域出现频率最高的风速风向进行统计得到的。

1） 来流面边界条件

风结构出现变化，风速和能量都减低的原因是受到摩擦力在气流流经不同地理位置变化导致的。通常把气流升高到大气层高度而受到地面摩擦力影响小的边界层称为大气边界层。地面粗糙度、天气原因、住宅所处地形都会对大气边界层造成影响，大气边界层分布在海拔310～990 m之间，若超过这个范围，在大气梯度干扰下，气流流动自由性就不受地面环境拘束。将以上因素作为参考条件，使模拟计算更贴合实际，使近地面层入口风速满足指数分布，如下：

式中：x为距离地面的高度;w为此高度处的风速;参考高度为x0;参考高度的风速以及体现地面粗糙程度常数分别用w0和c表示。该文地面粗糙程度常数为0.3。

本文需对风速加以修正，原因是气象台的常数为0.15，与本文常数有差异。修正后的结果为：

式中，气象台预报的风速以[wi]表示。

2） 出流面边界条件

设定出流面的住宅外墙壁光滑且存在摩擦，此时气流流动过程中没有其他建筑物遮挡，在流面上充分发挥流动性。

1.5  自然通风设计

由于赣南地区的地形特殊，盆地丘陵居多，受亚热带季风气候影响明显，夏季盛行西南风，冬季盛行西北风，为运用自然通风提高住宅的舒适度提供了便利条件。自然通风的原理是风压和热压导致的空气流态，风压导致的自然通风虽然效果最好但是受建筑外风速影响大，热压导致的自然通风就很好地弥补了这些问题，所以要将风压和热压结合在一起实现自然通风。从2点出发，分析恒大御景小区自然通风设计策略。

1） 建筑通风窗设计

为增加通风面积，建筑开窗方式应采用平开窗或者上悬窗，对气流方向进行引导。为加快通风时间，相邻墙面上以错落形式布置换气窗。换气窗的面积以实际需求来确定，为增加通风量可以在墙体上增设通风洞。

2） 热压通风

实现热压通风需要进出风口存在温度差和高度差。高度差的设计可以运用烟囱来实现，通常以通风空间的2倍高度作为烟囱的高度;温度差的设计则可以通过使用储热墙对室外空气加热或使用太阳能对屋顶空气加热，使热压升高，加快空气在室内外的流动，导致热压通风形成。

2  結  果

2.1  夏季分析结果

本文模拟系统模拟的于都县恒大御景小区在夏季住宅1.5 m标准人行高度下风速矢量见图3，风速云图见图4。

通过图3、图4可知，本文系统模拟得出恒大御景小区夏季的风场风向为南风，平均风速为2.8 m/s，风的来流边界为南向，去流边界为北向，自然通风情况良好，没有位置产生滞风，住宅外风速小于等于4.9 m/s，风速最大值是4.621 m/s，居民活动场地皆通风，并且没有位置产生旋涡，符合相关住宅风环境规定。

2.2  冬季分析结果

本文系统模拟得出的于都县恒大御景小区在冬季住宅1.5 m标准人行高度下风压云图见图5，值线间距是0.614 Pa。

从中能够看出，本文系统模拟得出恒大御景小区冬季的风场风向为偏北的东北风，住宅来流边界的风压为1.249～4.903 Pa，整个住宅区域平均风速为3.2 m/s，住宅迎风面风压最大，背风面风压最小，迎风面与背风面的风压分别为4.903 Pa和-3.749 Pa。位于迎风面的住宅冬季会受到来自2个方向的风压，温度可能比其他区域低，建议采取必要的保温措施。

2.3  舒适度分析

合理的风环境适宜居住和活动，判断住宅风环境是否适宜人类居住，需要采用本文模拟系统分析1.5 m标准人行高度下的风压和风速，经统计研究得出在各种风速下人的舒适度，见表1。

由表1可知，本文系统模拟得出当人在风速为0.9 m/s≤V<4.9 m/s的住宅范围内活动，体感舒适度最好;若风速超过4.9m/s，但是低于9.9 m/s，此时人体已经感觉到不舒适了;若处于风速超过19.9 m/s的环境中，对人体来说已经是危险状态了，本文系统可对赣南住宅风环境的风速同人体舒适度关系进行有效模拟分析，为提高住宅环境的居住舒适图提供了可靠的分析依据。

3  结  论

良好的风环境是保障居民在住宅居住时舒适度的重要指标，本文系统模拟江西省赣州市于都县恒大御景小区风环境过程中，运用CFD对该小区建立风环境的流场湍流特性计算模型，表达风环境的气流运动特性，对其风环境流场湍流特性进行研究，同时采用建筑通风斯维尔Vent 2018软件进行住宅风环境模拟。对于住宅环境的合理规划、居民居住质量的提升，具有重要的指导作用。

参考文献

[1] 王建廷，张畯.基于堪舆格局的绿色建筑室外风环境模拟优化[J].建筑科学，2018，34（6）：15?22.

[2] 张少康，刘沛，魏冀明.基于风环境分析的珠三角地区城镇空间规划引导[J].规划师，2016，32（9）：118?122.

[3] 原世杰，鹿世化.基于热环境评价指标的数据中心气流组织模拟研究[J].暖通空调，2016，46（1）：66?72.

[4] 庄智，胡一东，车学娅，等.建筑风环境模拟中风参数不确定影响分析[J].建筑科学，2016，32（8）：1?6.

[5] 张淼，刘铁军，马涂亮，等.基于CFD方法的大型客机高速气动设计[J].航空学报，2016，37（1）：244?254.

[6] 王成刚，罗峰，王咏薇，等.高密度建筑群及超高建筑物对风环境影响的风洞试验[J].大气科学学报，2016，39（1）：133?139.

[7] 郭飞，张鹤子.老年人与非老年人自然通风住宅热适应模型对比研究[J].大连理工大学学报，2016，56（2）：147?152.

[8] 陈勇，郑朝荣，金钊.基于节段模型试验的千米级摩天大楼行人风环境特性研究[J].工程力学，2017，34（12）：183?191.

[9] 王薇，邓卓剑，胡春.合肥城市混合住区风环境的模拟比较与评价[J].工业建筑，2018，48（7）：54?59.

[10] 郑朝荣，王洪礼，李胤松，等.某摩天大楼室外平台行人风环境数值研究[J].工程力学，2018，35（1）：118?125.

[11] 王烨，管国祥，付银安，等.冬季自然通风与室内污染物的迁移特性[J].哈尔滨工程大学学报，2016，37（8）：1151?1156.