石油大学青岛校区风环境数值模拟与评估

梁梦吟，李云龙，袁慧娟，张晓宇，孙 睿，刘成文

(中国石油大学(华东)石油工程学院，山东青岛 266580)

石油大学青岛校区风环境数值模拟与评估

梁梦吟，李云龙，袁慧娟，张晓宇，孙 睿，刘成文

(中国石油大学(华东)石油工程学院，山东青岛 266580)

文章采用RNG k-ε湍流模型封闭雷诺方程的时均数值模拟方法，运用CFD模拟软件Fluent对石油大学青岛校区在不同季节主导风向下的绕流风场进行了模拟。针对速度场及压力场的模拟结果，分析评价了校区的风环境，并对校园建筑物布局规划提出了建议，同时表明使用数值方法预测校区的风环境可以为优化规划方案提供科学依据。

风环境; 数值模拟; 速度场; 压力场

校园是学习和生活的地方，校区内风环境与校内师生息息相关，其受建筑物分布的影响很大。若校区建筑物布局不合理，产生不良的风环境，将会降低校内师生的生活质量。例如，过大的风速将影响人们处于室外时的舒适感，而过大的风压可能造成物体跌落、玻璃碎裂等，存在极大的安全隐患。近年来，随着计算机技术的不断发展，计算流体动力学(Computational Fluid Dynamics，CFD)技术在建筑风工程中的应用越来越多，模拟和分析问题的对象也越来越广泛。本文采用数值模拟方法对中国石油大学青岛校区建筑群的风环境进行了模拟。通过研究校内风场的分布规律，有利于给校区内行人通行路径的选取与新楼群建设提出参考建议，对人们生活环境的改善等有着十分重要的意义。

1 物理模型与网格划分

1.1 物理模型

石油大学青岛校区模型如图1所示，东西方向长度为1 600 m，南北方向长度为1 500 m，主轴线与正北方向夹角为37.3°。校区由生活区，教学区，工作区三部分组成，中部有较为宽阔的广场。建筑物主要集中在西部和南部，高度多为20～30 m，校区北部建筑物不多，高矮建筑交错分布，最高可达90 m；东部建筑物较少，为环保绿化带。

图1 石油大学青岛校区模型

1.2 网格划分

建筑物群模型的总体几何尺寸为 1 600 m×1 500 m×120 m，计算流域取为6 000 m×6 000 m×800 m。流域边界面和建筑物表面采用三角形非结构网格单元，体网格主要采用四面体网格，个别位置允许有锥体或楔形体，即采用非结构混合网格(TGrid)。网格划分时，建筑物壁面处进行加密处理，以适应流场变化，外围区域则布置较粗网格，以减少网格数量，缩短求解时间。最终共生成173 606个节点，1 647 372个面单元和782 572个单元体。

2 控制方程与边界条件

2.1 控制方程

建筑物风环境的数值模拟，属于钝体绕流问题，其控制方程为定常粘性不可压缩流体的雷诺时均方程组。

连续性方程：

(1)

动量方程：

(2)

RNGk-ε湍流模型：

(3)

(4)

2.2 边界条件

2.2.1 进口边界条件

进流面采用速度入口边界条件(velocity inlet)，进口风速模拟大气边界层风速剖面指数分布[1]，公式如下：

(5)

式中：z0、u0分别为参考高度10 m以及参考高度处的风速;α为地面粗糙度指数，根据我国建筑结构载荷规范，取0.16[2]。

进口处的湍流强度I，湍动能k和湍动能耗散率ε分别为：

(6)

(7)

(8)

式中：zg为梯度风高度；u为平均流速；l为湍流长度尺度；Cu=0.09。这些参数的设定均采用Fluent提供的UDF(user-defined functions)编程与Fluent作接口实现。

2.2.2 出口边界条件

出流面的位置离建筑物较远，采用完全发展出流边界条件(outflow)。

2.2.3 其它边界条件

流域顶部采用对称边界条件 (symmetry)，等价于自由滑移的壁面，建筑物表面和地面采用无滑移的壁面条件(wall)[3]。

3 计算方法与计算工况

3.1 计算方法

本文采用有限体积法对控制流动的方程组进行离散，其中对扩散项采用中心差分格式离散，而对流项采用二阶迎风格式离散。采用SIMPLE算法进行压力与速度的解耦，避免出现不合理的压力和速度。

3.2 计算工况

石油大学青岛校区位于青岛市黄岛区，属于东亚季风区，常风向为东南风，次常风向为北及西北偏北，强风向与次常风向基本一致。年平均风速5.3 m/s，以东南风为主导风向，最大风速38 m/s。根据文献[4]提供的资料：冬季平均风速5.3 m/s，N-NW风是主导风向；夏季平均风速4.5 m/s，S到SE风是其主导风向，其中S风频率最高；春季平均风速最高为5.6 m/s，以S到SE风向为主，尤以SSE风频率最高。本文分别采用冬季、夏季和春季三种工况数据进行了模拟，见表1。

4 计算结果与分析

本文选取人行高度z=1.5 m为典型水平界面，考察计算区域内的风速和风压分布情况，对冬季、夏季和春季三种工况下的计算结果进行了分析。

表1 三种不同工况所采用的数据

4.1 户外行人区风速控制性指标

根据文献[5]可知，当室外风速达到10 m/s以上时，室外行人开始行动不便，撑伞困难。本文取10 m/s的风速为不对室外行人行动产生不便的上限值。但是由于文献[5]中给出的风速是针对距地面10 m高度处的，按照式(5)换算可以得到人行高度处的不对室外行人行动产生不便的上限风速值为7.3 m/s。同时参考Visser于1980年对室外热舒适进行研究时提出的行人舒适感与风速之间的关系[6]：当距地面1.5 m高度处风速小于或等于5 m/s时，室外行人感觉舒适；当风速达到5～10 m/s之间时，室外行人开始感觉不舒适，行动受影响；当风速达到 10～15 m/s之间时，户外行人已经很不舒适。因此，本文选取5 m/s为人行高度处室外行人感到舒适的理想上限风速值，7.3 m/s为不对室外行人行动产生不便的警戒上限风速值。行人活动频繁的区域以理想上限值为标准，一般区域可用警戒上限值[7]。

4.2 春季工况

图2为春季1.5 m人行高度处风速云图，可以看出春季校园建筑物周边风环境总体来说较为理想，绝大部分地区风速小于5 m/s，行人感觉舒适。极少数地区风速偏大，主要集中在迎风面的第一排建筑周围，最明显的是逸夫楼和文理楼之间的街道及其以北的广场风速较大，其中最高风速位于逸夫楼的拐角周围，可达9.5 m/s，行人在该区域行走感觉极其不舒适，行走困难应增加绿化以隔离行人同时减弱风速。同时工科楼和逸夫楼之间的街道、唐岛湾餐厅以北、研究生公寓与文理楼之间的空地存在高于7.3 m/s的较大风速，对行人活动产生障碍性影响。学校已经在该片空地进行了一定的绿化，种植了大量的树木削弱了该影响。还有一些区域，如玉兰苑餐厅的东西两侧、讲堂群的东侧、图书馆南侧的广场，存在5～7.3 m/s的风速，虽然不会影响行走，但却造成了一定程度的不舒适，且该区域是学生就餐和上课必经区域，人行活动频繁区域，因此需要采取一定的措施如种植行道树等使风速降到理想上限值5 m/s以下。

1.安全生产方面。一号煤矿以预算指标的形式分解生产任务与工作任务到各区队、各部室，以书面文件公开发布，在醒目位置张贴各部室本年度重点工作安排，以月考核、季考核、年考核的监测考核体系来督促各项工作的顺利高质量完成；安全目标以宣传横幅、LED电子屏、阶段性活动开展的主题口号等多种形式公开宣传，明确目标，鼓舞士气。

图2 春季工况下1.5 m人行高度处风速云图

4.3 夏季工况

在夏季工况下，校区建筑物周围的风速分布云图以及部分区域的风流线图如图3～图5所示。

图3 夏季工况下1.5 m人行高度处风速云图

图4 研究生公寓区域流线

图5 本科生公寓区域流线

夏季校园建筑物周围风速大多数位于5～7.3 m/s之间。在炎热的夏季里，行人受到该强度大小的风会感觉凉爽舒适，又不会对人正常行走造成太大干扰，环境十分适宜。风速较大的区域同样位于中部的广场，南部的逸夫楼东西两侧的街道，建议行人尽量少在该处通行。

少数建筑物的迎风面拐角处，如工科楼西侧、研究生公寓东侧、国际交流中心东侧、存在大于9 m/s的大风。这是由于建筑物作为钝体存在于风场中有阻挡作用，风经过建筑物前缘的直角顶点处时会发生剧烈分离，使得拐角处来流紊乱，风速急剧增大。可在设计建造时改变建筑物的边角，增加一定的切角或进行圆滑处理，从而减弱分离流的影响。

大部分建筑物的背风面出现回流旋涡，风速较低，甚至出现“死区”，影响散热和对流，不利于污染物的扩散和空气的净化。例如在本科生和研究生公寓的背风面，见图4和图5，均出现了滞留的旋涡区，使该地区的空气不能进行交换, 污染气体或其他污染物体将长期滞留而使空气质量变坏，不利于居住在此的学生的身体健康。因此学生公寓在建造设计时应考虑常风向对建筑物周边风环境的影响，选取合适的建造角度。

图6和图7分别为冬季工况下1.5 m人行高度处速度和压力云图。从图6可以看出，冬季校园建筑物周围整体风场较强，最高风速值可达11 m/s以上，只有少数位于建筑物背风面的区域由于遮挡作用风速小于理想上限风速值5 m/s，校园内主要街道和行人活动范围风速均高于警戒上限风速值7.3 m/s，严重影响师生的出行。

图6 冬季工况下1.5 m人行高度处风速云图

图7 冬季工况下1.5 m人行高度处压力云图

强风主要集中在两大块区域。一个位于校园中部，包括整个广场区域并向南北两侧延伸，贯穿整个校园，由于没有建筑物遮挡，给北边来风提供了一条通路，使其迅速发展并逐渐增大。另一大范围的大风区域位于西侧两组本科生公寓群之间的狭长街道，由于峡谷效应的影响，风流经建筑物之间的狭长地带时风速迅速增大，这两部分区域是校园师生通行的主干道，应加强绿化。建筑物的拐角处，如体育馆东西两侧，研究生公寓东侧，国际交流中心东侧，存在大于10 m/s的大风，给行人行走造成极大不便，甚至安全隐患。师生避免经过该区域，并给该区域的公共设施加固，防止其被吹散，砸伤行人。图7表明校园北部、南部及东部区域建筑物迎风面和背风面均存在风压极高或极低的情况，可能会造成明显的冷风渗透现象。因此需要注意门窗加固，增强建筑的密封性能，同时建议在此类建筑物北侧区域种植行道树等景观绿化植物形成挡风构筑物。

5 结论

(1)本文对石油大学青岛校区建筑物群的风场进行了三维数值模拟, 结果表明校区的风场环境在春季时较为理想，夏季存在空气不流通的问题，冬季大部分区域风力较大，环境恶劣，校内师生尽量避免外出，在大风天气里还需注意紧闭门窗，做好安全措施。

(2)校园建筑群的布局对校区内风场有很大的影响，建筑物的拐角处和建筑群之间的狭长街道是最易出现大风的区域。在进行规划建设时，应考虑季节的主导风向和气候特点，选取合适的建造角度和排列间距，优化建设方案来获得良好的风环境。

(3)本文模拟结果与实际情况基本吻合，充分说明利用数值模拟方法可以快速、高效地分析建筑布置方案与局部风环境之间的关系, 从中总结出创造舒适风环境的建筑设计准则，为设计可持续发展的建筑提供指导。

致谢：中国石油大学(华东)规划建设处技术科李健老师提供了校园建筑图纸。

[1] [1] Muralami S, Mochida A. Three-dimensional numerical simulation of turbulence flow around buildings using the k-( turbulence model[J] . Building and Environment, 1989, 24(5):283-303

[2] GB 50009-2001建筑结构荷载规范[S]

[3] 陶文铨. 数值传热学[M] . 西安：西安交通大学出版社，1988

[4] 颜梅，徐勤爱，邵滋和. 青岛百年气压与风场统计特征分析[J]. 海洋预报，2003, 20(8):14-15

[5] 凯文·林奇. 总体设计[M].北京：中国建筑工业出版社，1999

[6] ISBN4-8189-0459-7C3052 P4450 E-1996，AIJ Recommendations for Loads on Buildings[S]

[7] 王英童. 中新生态城城市风环境生态指标评测体系研究[D]. 天津：天津大学，2010：15-17

中国石油大学(华东)2013年大学生创新创业训练计划(20131030)

梁梦吟(1994～)，女，本科生。

TU-023

A

[定稿日期]2014-11-04