摘要：在工程建设之前，对风环境进行模拟能够很好的避免空间规划和风场分布方面的不足，大大降低了成本和不安全的因素。运用了fluent软件对某一区域建筑群周围风环境进行了数值模拟。模型计算区域的网格划分采用具有良好适应性的非结构化四面体网格，并采用了扩展k-ε湍流模型。给出不同的建筑布局图，并通过fluent软件模拟出不同布局下计算区域的风速图。最后从自然通风和行人安全性、舒适性的角度出发对不同建筑布局下的风环境模拟结果进行了讨论和分析。
关键词：fluent；风环境；群体建筑；CFD；建筑布局
中图分类号：TU023 文献标识码：A文章编号：1009-3044（2012）28-6790-05
“5.12”汶川特大地震导致全国很多城市住房严重受损。如何做到科学规划、确保质量，又好又快地完成灾后城市的重建对受灾的人们是至关重要的。而灾后城市的重建需要考虑的关键因素就包括了重建城市里建筑物的安全性，除此之外节能减排以及空气流通性也是需要重点研究的问题。按照传统的研究方法会拖慢灾后重建的速度，而且会浪费大量的人力物力财力。同样，北京奥运会各种大型场馆的建设，世博会场馆的建设也需要在短时间的科学规划中解决安全、节能、空气流通性等诸多风环境问题。
随着计算机技术的高速发展，计算流体动力学（computational fluid dynamics，CFD）已经被广泛运用于建筑风环境的模拟研究中。该技术可以在较短的时间里按照实际尺度的模型准确的模拟建筑物风环境，避免了风洞试验只能按照缩尺实验、成本高、研究周期长等缺点。该技术可以很好的被运用于灾后城市的重建，也可被用于城市中大型建筑的科学规划中。
目前，在CFD研究领域中，国内外对单体建筑，如高楼、塔型建筑、复杂形状的建筑以及室内风环境研究较多，但对群体建筑的风环境的数值模拟研究很少。在设计群体建筑时，除了需要考虑地震因素外，还需考虑风荷载等气象因素的影响。此外，不合理的建筑布局会导致空气污染加重。因此，如何给出最优的建筑布局是保证建筑安全性和形成良好气象效应的关键。本文运用了CFD方法对群体建筑进行数值模拟，通过给出不同建筑布局，并模拟出不同布局下的风环境数据，并分析不同布局下风环境的改变。最后本文综合考虑自然通风和对行人的安全，对不同布局下风环境进行分析。这样在工程建设之前，对风环境进行模拟能够很好的避免空间规划和风场分布方面的不足，大大降低了成本和不安全的因素。
1 网格划分与边界值设定
本研究采用计算流体动力学（CFD）软件，对某区域建筑群的风环境进行数值模拟。计算区域的长*宽*高取为2000m*1300m*1300m。该计算区域的网格划分采用了拥有良好拓扑性的非结构化四面体网格[1]。在划分计算区域网格和确定各单元大小时需要考虑两个重要因素：1）近壁面处需要进行比较细的网格划分来适应流场较大的变化；2）需要考虑大范围区域网格划分的计算效率。考虑到计算对象是大范围区域，本文研究中先在计算对象的壁面处设置了较细的网格用来适应流场变化，同时外围设置较粗网格，粗细网格按照1倍的变化均匀过渡。最后由面到体对整个区域进行网格划分。网格离散中使用了Laplacian光顺方法对网格点进行优化。
边界条件的设定分为来流边界条件、下垫面条件、大气边界层设定以及建筑维护结构的参数与计算方法。由于计算区域在大气中，湍流中垂直地面方向的风速为1。水平方向的风速会随着高度的变化而变化，原因主要有两个：1）高空与近地面高度的大气流动规律不同；2）近地面地区会出现建筑物、山体等的遮挡，会使近地面风力有变化。随着高度的不断增加，风速的分布会呈现出一种梯度变化。来流条件的设置比较复杂，可以通过简化的方法设定来流条件：1）放大研究空间xyz三个维度的大小为计算区域的4倍以上；2）将计算区域的模型放入研究空间当中。通过这个方法可以降低来流边界条件的影响。[2]
出口处截面取在无回流处，采用压力型出口边界条件。上空面及左右侧边界采用对称边界；地面及建筑壁面采用无滑移边界条件，其附近的切向速度、k及ε采用壁面函数法计算[1]。表1展示了用Fluent进行数值模拟时设置的一些边界条件。
2 数值求解方法
各种物体是存在于大气边界层内风流动中的障碍物，其周边各种由气流撞击、分离、再附着以及环流等各种不同现象构成了湍流。按照湍流作用下的钝体空气动力学理论，计算区域里的空气流动风是大气边界层中低速不可压缩湍流过程。[3]风场的基本控制方程为流体的连续性方程、动量守恒方程（纳维-斯托克斯方程Navier-Stokes方程，简称N-S方程）和能量守恒方程。[4]为了模拟这种不规则的流体，需要引入湍流模型。
现如今湍流模型的研究成果很多，低速湍流计算中最常用的就是k-ε模型。但Standard k-ε模型对强各向性流动的预测不是很好，而RNG k-ε模型对流动的模拟结果有了很大改进，能够更好地模拟湍流情况。[5]基于RNG k-ε湍流模型的湍流控制方程如下[6，7]：
3 计算结果和分析
本文模拟出6种不同布局下计算区域的风环境，通过分析不同布局下风速矢量图得出该布局的对自然通风和行人安全性的弊端和优势。
3.1 并列式布局
如图1是并列式布局下的风速图。最前排建筑迎风处风速较大，但由于前排建筑的遮挡导致后排建筑风速较小，这使得后排建筑处于弱风区中。后排建筑周围风速较小造成了一定的风影区，严重影响了夏季人们对外部空间的利用率，同时这种风影区也不利于自然通风和污染物的扩散。建筑中间的通道出现了狭管效应，风速达到了5.6m/s，对行人的安全造成了一定的影响。
3.2 Y型布局
如图2是Y型布局下的风速图。由于入口处的建筑之间间距比出口处建筑间间距大，这样的设计会导致出口处风速最大。前排建筑对后排内、外两侧的风速影响较大，使得建筑间的通道风速很大，严重影响行人的安全。建筑背风区的风速多为1.07，这使得建筑背风区的风速过低，不利于自然通风和污染物的扩散。Y型的风场有利于改善垂直风向通道区的气流流通，并且相应提高两侧建筑侧面及背风面的负压，但其存在着范围较广的高速气流区，可能使行人感觉不适。
3.3 斜并列式布局
如图3是斜并列式布局风速图。迎风面的最前排建筑风速较大，由于前排建筑的遮挡导致后排建筑风速较小，这样对后排建筑起到了遮蔽作用。这种场地设计用在冬季较冷的地方比较合适，可以遮挡冬季的冷风而且可以加强自然采光。斜并列式中建筑背风区风速受建筑外侧风速影响，斜并列式中建筑背风区的风速多为2.35，比并列式和Y型设计中建筑背风区的风速要高，这样有利于自然通风和污染物的扩散。斜并列式布局使得风向与建筑体在不同时间里出现不同夹角，避免建筑周围风环境的不均匀。当风向与建筑的夹角为30。～60。时，夏季室内穿堂风比较顺畅，而且风速比较均匀；冬季关闭窗户可使风力顺着建筑表面平滑的移走，减少因空气流动与建筑表面的摩擦造成的建筑失热。此布局减小建筑正压区迎风面面积的同时，缩小了背风面的负压区范围，弱化了因建筑对气流的遮挡在负压区造成的不稳定风场，使得住区内风环境更加通畅。
3.4 V型布局
如图4是V型布局下的风速图。该场地设计下的各建筑周围风速都较大，入口处的风速达到最大值，但最大风速比Y型最大风速要小。这种设计较适用于夏天较热的地区，可以很好地达到自然通风的效果，也可以使污染物很好地扩散，并降低建筑周围的温度。
3.5 围合型布局
如图5是围合型布局下的风速图。围合型场地设计中前排的建筑风速受后排建筑的影响很小，与迎风处速度一样，第二排建筑周围的风速较大，可以很好地实现自然通风的效果，而且可以很好地实现污染物的流动。围合式设计中的风场分布速度适中且较为均匀，可以很好地保证行人的安全性。
4 结论
本文首先讨论了计算区域模型的网格划分、边界值设定和数值求解方法，然后利用fluent软件对不同建筑布局下群体建筑的风环境进行数值模拟。通过生成风速图以及对不同布局下建筑群风环境进行分析，得出以下结论：
1） 并列式布局中由于前排建筑的遮挡导致后排建筑风速出现风影区，严重影响自然通风和污染物的扩散。而斜并列式布局中风向多与建筑呈现角度，使得该布局下的建筑在夏季能够很好地实现自然通风。考虑到自然通风，斜并列式布局较并列式布局有更多的优势。
2） 并列式布局和Y型布局中的狭道效应会使通道里风速很大，在冬季里会使行人舒适性指数下降。V型、斜并列式、围合式设计没有狭道效应，风场分布较为均匀使得夏季和冬季里行人舒适性指数较高[10]。
3）对于不同类型的建筑布局以及不同风向的大范围建筑的风环境，可先使用数值方法先行预测，分析出自然通风利用率和建筑物对行人安全情况，为最终生成的建筑物布局方案起到积极参考作用。
4）用数值模拟的方法预测大范围环境下建筑的风环境，能在很短的时间里和很低的成本为大范围建筑布局的优化和结构抗风设计提供科学依据。
参考文献：
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[4] Wrote by：Shuzo Murakami[JPN]，translated by：Zhu Qingyu，et al.，CFD and architectural environmental design[M].Beijing：China Building Industry Press，2007：2 （In Chinese）.
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[10] 杨薇.夏热冬冷地区住宅夏季热舒适状况以及适应性研究[D].长沙：湖南大学，2007.
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