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住宅小區室外嚴寒分析的論文
摘要：室外氣流運動(dòng)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(tài)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(chǎng)、溫度場(chǎng)及污染物分布的，對改善人居內外環(huán)境意義深遠。本文針對嚴寒地區住宅小區，綜合分析室外風(fēng)環(huán)境的影響因素，建立了室外風(fēng)環(huán)境的物理和數學(xué)模型，應用專(zhuān)業(yè)CFD軟件FLUENT對此特定的流動(dòng)物理問(wèn)題，采用適合于它的數值解法，得到三維速度場(chǎng)和壓力場(chǎng)，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(fēng)環(huán)境進(jìn)行評價(jià)和探討，不僅對利用建筑布局改善室外環(huán)境有顯著(zhù)的作用，而且在組織良好的室內通風(fēng)方面也具有一定意義。
關(guān)鍵詞：住宅小區風(fēng)場(chǎng)數值模擬FLUENT
1引言
隨著(zhù)我國嚴寒地區低能耗住宅建筑的發(fā)展，住宅室內通風(fēng)換氣問(wèn)題已不容忽視。一般情況下，室內自然通風(fēng)的形成，既有熱壓通風(fēng)的因素，也有風(fēng)壓通風(fēng)的原因，從自然通風(fēng)改善室內空氣品質(zhì)角度來(lái)看，風(fēng)壓通風(fēng)對室內氣候條件的效果比較顯著(zhù)，故應首先考慮如何組織建筑物室外的風(fēng)壓通風(fēng)來(lái)改善室內熱環(huán)境。
2室外風(fēng)場(chǎng)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(shí)間長(cháng)，且室內空氣質(zhì)量與室外環(huán)境相差較大，故節能住宅建筑的通風(fēng)關(guān)鍵在冬季，本文以哈爾濱地區氣象參數中冬季的主導風(fēng)向和風(fēng)速為依據，以哈爾濱市泰海小區44號樓及其周?chē)?棟建筑物作為室外風(fēng)場(chǎng)模擬對象，分析住宅小區室外風(fēng)場(chǎng)的氣流流動(dòng)情況。模擬建筑物及其周?chē)臈潣蔷鶠楦叨葹?2m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(xué)模型，對物理模型作以下假設和簡(jiǎn)化：
�。�1）建筑物外氣流分布取決于來(lái)風(fēng)風(fēng)速以及風(fēng)向，建筑尺寸及形狀，以及建筑物開(kāi)口大小和位置。若開(kāi)口尺寸小于建筑物立面面積的1/6，三棟建筑可簡(jiǎn)化為混凝土塊。
�。�2）室外氣流為風(fēng)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(jiǎn)化為穩態(tài)的紊流氣流流動(dòng)，考慮到計算機的硬件設備(RAM256M，CPUPⅣ2.4GHz)有限，僅分析最大風(fēng)速的`穩態(tài)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(dòng)的物理問(wèn)題的特點(diǎn)，采用適合于它的數值解法，從而高效率的解決各個(gè)領(lǐng)域的復雜流動(dòng)的計算問(wèn)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(shí)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(dòng)物理機理、特定類(lèi)型問(wèn)題以往的經(jīng)驗、精度級別的要求、現有的計算機資源和模擬所用時(shí)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(fēng)速的特定條件，室外流動(dòng)的Re從50.000到100.000變化，為完全發(fā)展流動(dòng)，因此，采用標準k-ε湍流模型。
參見(jiàn)前人對計算模擬區域的經(jīng)驗設定，室外流動(dòng)模型模擬區域如下：當所著(zhù)重模擬的建筑物外表尺寸為1時(shí)，模擬區域為上風(fēng)側為建筑物長(cháng)度的3倍，下風(fēng)側為建筑物長(cháng)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(wǎng)格劃分采用FLUENT的前置處理器－GAMBIT。
建筑物室外風(fēng)場(chǎng)的來(lái)流為哈爾濱地區冬季主導風(fēng)：風(fēng)向西南，平均風(fēng)速為按10米高處風(fēng)速3.8計算的沿高度遞增的梯度風(fēng)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(fēng)格式進(jìn)行離散外，其他如動(dòng)量、紊流脈動(dòng)動(dòng)能和紊流脈動(dòng)動(dòng)能耗散率均采用一階迎風(fēng)格式進(jìn)行離散。
3結果分析與討論
3.1室外風(fēng)速矢量場(chǎng)分析
為了研究建筑物周?chē)煌虿煌叨忍幍氖彝鈿饬髁鲃?dòng)情況，分別計算了位于44號樓中的兩個(gè)算例：（1）平面高度5.94m（以地面為基準的送風(fēng)高度）；（2）平面高度19.94m。
由圖2中的速度矢量分布來(lái)看，在西南風(fēng)向的影響下，建筑物群的西南向建筑物處于迎風(fēng)側，而東北向建筑處于背風(fēng)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(fēng)側的西北角和東南角產(chǎn)生背風(fēng)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(fā)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
注：圖中網(wǎng)格為■的位置分別是44號樓3單元202、702戶(hù)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(gè)馬蹄形建筑群內形成了兩個(gè)強度相似，但旋轉方向相反的旋渦。
由此可見(jiàn)，在建筑物群外側拐角等銳緣處，來(lái)流的速度大小和方向都發(fā)生劇烈變化，且在建筑物群背風(fēng)側形成的渦流區內，速度梯度大，風(fēng)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(fēng)場(chǎng)沿建筑物表面風(fēng)壓分析
建筑物處于大氣流場(chǎng)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(fā)生變化而引起壓強的變化。當風(fēng)吹響建筑物正面時(shí)，因受到建筑物表面的阻擋而在迎風(fēng)面上產(chǎn)生正壓區，氣流再向上偏轉同時(shí)繞過(guò)建筑物各側面及背面，在這些面上產(chǎn)生負壓區。因此，當建筑物圍護結構存在開(kāi)口時(shí)，由于壓差作用，室內就會(huì )形成自然通風(fēng)。建筑物周?chē)膲毫Ψ植纪ǔＳ蔁o(wú)因次風(fēng)壓系數描述，及建筑物外表面某點(diǎn)的風(fēng)壓與建筑物同高度出來(lái)流風(fēng)壓之比。
在對44號樓三單元不同平面高度的風(fēng)壓系數及風(fēng)壓值的計算結果中，如表1所示。建筑物迎風(fēng)面的風(fēng)壓系數及風(fēng)壓均隨著(zhù)建筑物高度的增加而增加，且風(fēng)壓從1.6變化到17.77增幅較大；而建筑物背風(fēng)面則處于很弱的負壓作用下，風(fēng)壓系數及風(fēng)壓均相對較小，風(fēng)壓作用很弱。對于西向建筑物，由于其同樣具有迎風(fēng)面與背風(fēng)面風(fēng)壓差大，風(fēng)壓系數變化明顯的特征，因此，風(fēng)壓系數及風(fēng)壓變化規律同上。
由此，對于處于建筑物群迎風(fēng)側的建筑物，沿建筑物垂直方向上的風(fēng)壓系數和風(fēng)壓值具有風(fēng)壓差大，風(fēng)壓系數變化明顯的特點(diǎn)，因而建筑物高處的通風(fēng)效果較好。而沿建筑物水平方向上，盡管存在相對不同的風(fēng)壓系數和風(fēng)壓值，但變化規律由對速度場(chǎng)的分析可知，亦存在一定變化規律，即：通風(fēng)方向均為由建筑物群外側到建筑物群內側，且通風(fēng)效果強。
對于建筑物群背風(fēng)側的東向和北向建筑物，結合速度矢量分布和風(fēng)壓分布，采取對個(gè)別點(diǎn)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(fēng)壓系數和風(fēng)壓沿水平和垂直方向變化均不大，因此，背風(fēng)面的東北向建筑物具有通風(fēng)強度較弱，通風(fēng)方向復雜，規律性不明顯等特點(diǎn)。
綜上所述，哈爾濱泰海小區44號樓及其周?chē)?棟建筑物，在冬季為西南向主導風(fēng)的作用下，即：風(fēng)向投射線(xiàn)與建筑圍護結構法線(xiàn)的交角－風(fēng)向投射角為45°，綜合考慮風(fēng)場(chǎng)和渦流區的關(guān)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(fēng)側的建筑物通風(fēng)作用明顯，通風(fēng)方向穩定，且應根據以上分析合理地布置建筑物周?chē)h(huán)境，改變建筑物周?chē)臍饬髁鲌?chǎng)，創(chuàng )造良好的建筑物室內外通風(fēng)環(huán)境。對于建筑物群背風(fēng)側的建筑物，也應通過(guò)數值模擬計算分析，研究前棟建筑物的阻擋狀況以及周?chē)ㄖ�，尋找特定環(huán)境下的通風(fēng)特點(diǎn)，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(fēng)環(huán)境。
4總結
對于受多種因素和條件影響的住宅小區室外環(huán)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(zhù)計算機技術(shù)的發(fā)展，綜合考慮室外太陽(yáng)輻射、建筑周?chē)G化等因素將成為生態(tài)建筑環(huán)境數值研究的一個(gè)新方向，而大渦模擬、直接模擬也將會(huì )應用的越來(lái)越多，使數值模擬技術(shù)在實(shí)際工程應用中發(fā)揮重要作用。
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