住宅小區室外嚴寒分析的論文
摘要：室外氣流運動與建築群規劃的“和諧”設計，成為建築系統節能和可持續的生態建築的重要方法之一。利用數值模擬的方法，可以得出住宅小區的室外的速度場、溫度場及汙染物分佈的，對改善人居內外環境意義深遠。本文針對嚴寒地區住宅小區，綜合分析室外風環境的影響因素，建立了室外風環境的物理和數學模型，應用專業CFD軟體FLUENT對此特定的流動物理問題，採用適合於它的數值解法，得到三維速度場和壓力場，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環境進行評價和探討，不僅對利用建築佈局改善室外環境有顯著的作用，而且在組織良好的室內通風方面也具有一定意義。
關鍵詞：住宅小區風場數值模擬FLUENT
1引言
隨著我國嚴寒地區低能耗住宅建築的發展，住宅室內通風換氣問題已不容忽視。一般情況下，室內自然通風的形成，既有熱壓通風的因素，也有風壓通風的原因，從自然通風改善室內空氣品質角度來看，風壓通風對室內氣候條件的效果比較顯著，故應首先考慮如何組織建築物室外的風壓通風來改善室內熱環境。
2室外風場的物理模型和CFD數值模擬
2.1物理模型
哈爾濱市位於嚴寒地區，冬季持續時間長，且室內空氣質量與室外環境相差較大，故節能住宅建築的通風關鍵在冬季，本文以哈爾濱地區氣象引數中冬季的主導風向和風速為依據，以哈爾濱市泰海小區44號樓及其周圍4棟建築物作為室外風場模擬物件，分析住宅小區室外風場的氣流流動情況。模擬建築物及其周圍四棟樓均為高度為22m的建築物，如圖1，圖中相應地給出各建築物在泰海小區中的位置及其建築物佈局。
為建立數學模型，對物理模型作以下假設和簡化：
（1）建築物外氣流分佈取決於來風風速以及風向，建築尺寸及形狀，以及建築物開口大小和位置。若開口尺寸小於建築物立面面積的1/6，三棟建築可簡化為混凝土塊。
（2）室外氣流為風速梯度分佈的低速流範圍，據Boussinesq假設，空氣一般為粘性不可壓縮流體。一次簡化為穩態的紊流氣流流動，考慮到計算機的硬體裝置(RAM256M，CPUPⅣ2.4GHz)有限，僅分析最大風速的`穩態紊流情況。
2.2CFD數值模擬
FLUENT軟體設計基於“CFD計算機軟體群的概念”，針對每一種流動的物理問題的特點，採用適合於它的數值解法，從而高效率的解決各個領域的複雜流動的計算問題。
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）。湍流模型選取取決於諸多因素，如流動物理機理、特定型別問題以往的經驗、精度級別的要求、現有的計算機資源和模擬所用時間等。對於住宅小區這樣具有較大的建築物尺寸和較高的風速的特定條件，室外流動的Re從50.000到100.000變化，為完全發展流動，因此，採用標準k-ε湍流模型。
參見前人對計算模擬區域的經驗設定，室外流動模型模擬區域如下：當所著重模擬的建築物外表尺寸為1時，模擬區域為上風側為建築物長度的3倍，下風側為建築物長度的12倍，兩側寬度為建築物的3倍，高度為建築物高度的4倍。幾何建模和網格劃分採用FLUENT的前置處理器－GAMBIT。
建築物室外風場的來流為哈爾濱地區冬季主導風：風向西南，平均風速為按10米高處風速3.8計算的沿高度遞增的梯度風速。上空面、地面及建築物表面按光滑壁面設定。方程求解中壓力與速度的耦合採用壓力耦合的半隱方法（SIMPLE），除壓力採用二階迎風格式進行離散外，其他如動量、紊流脈動動能和紊流脈動動能耗散率均採用一階迎風格式進行離散。
3結果分析與討論
3.1室外風速向量場分析
為了研究建築物周圍不同朝向不同高度處的室外氣流流動情況，分別計算了位於44號樓中的兩個算例：（1）平面高度5.94m（以地面為基準的送風高度）；（2）平面高度19.94m。
由圖2中的速度向量分佈來看，在西南風向的影響下，建築物群的西南向建築物處於迎風側，而東北向建築處於背風側。在建築物群外側的西北角和東南角以及建築物群的入口處，速度梯度達到最大值；並在建築物群背風側的西北角和東南角產生背風渦流區。
建築物群外側，速度沿南向建築物的變化規律為：由西向東逐漸增大，在建築物的拐角處達到最大值；速度沿西向建築變化規律為：由南向北逐漸增大，在建築物的拐角處達到最大值。沿西南向建築物的速度絕對值較大，速度方向變化不大。
在建築物群外側，速度沿北向建築物的變化規律為：40號樓側，速度由西向東速度先變小後變大，在建築物拐角處均達到最大值，速度方向發生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。速度沿東向建築物的變化為：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：圖中網格為■的位置分別是44號樓3單元202、702戶南、北向房間位置。
在建築群內，速度大小變化較小，但方向沿圍護結構變化很大。因此，在左右兩個馬蹄形建築群內形成了兩個強度相似，但旋轉方向相反的旋渦。
由此可見，在建築物群外側拐角等銳緣處，來流的速度大小和方向都發生劇烈變化，且在建築物群背風側形成的渦流區內，速度梯度大，風向不穩定。在建築物群內，易形成強度較小的旋渦區。
3.2室外風場沿建築物表面風壓分析
建築物處於大氣流場中，由於建築物形狀和空氣粘性等因素的影響，使氣流速度在建築物的前後發生變化而引起壓強的變化。當風吹響建築物正面時，因受到建築物表面的阻擋而在迎風面上產生正壓區，氣流再向上偏轉同時繞過建築物各側面及背面，在這些面上產生負壓區。因此，當建築物圍護結構存在開口時，由於壓差作用，室內就會形成自然通風。建築物周圍的壓力分佈通常由無因次風壓係數描述，及建築物外表面某點的風壓與建築物同高度出來流風壓之比。
在對44號樓三單元不同平面高度的風壓係數及風壓值的計算結果中，如表1所示。建築物迎風面的風壓係數及風壓均隨著建築物高度的增加而增加，且風壓從1.6變化到17.77增幅較大；而建築物背風面則處於很弱的負壓作用下，風壓係數及風壓均相對較小，風壓作用很弱。對於西向建築物，由於其同樣具有迎風面與背風面風壓差大，風壓係數變化明顯的特徵，因此，風壓係數及風壓變化規律同上。
由此，對於處於建築物群迎風側的建築物，沿建築物垂直方向上的風壓係數和風壓值具有風壓差大，風壓係數變化明顯的特點，因而建築物高處的通風效果較好。而沿建築物水平方向上，儘管存在相對不同的風壓係數和風壓值，但變化規律由對速度場的分析可知，亦存在一定變化規律，即：通風方向均為由建築物群外側到建築物群內側，且通風效果強。
對於建築物群背風側的東向和北向建築物，結合速度向量分佈和風壓分佈，採取對個別點的取樣分析計算可知：由於建築物兩側速度絕對值小，方向變化複雜，風壓係數和風壓沿水平和垂直方向變化均不大，因此，背風面的東北向建築物具有通風強度較弱，通風方向複雜，規律性不明顯等特點。
綜上所述，哈爾濱泰海小區44號樓及其周圍4棟建築物，在冬季為西南向主導風的作用下，即：風向投射線與建築圍護結構法線的交角－風向投射角為45°，綜合考慮風場和渦流區的關係，認為投射角較恰當，建築物間距（33.66m≈1.5H）適宜。建築物群迎風側的建築物通風作用明顯，通風方向穩定，且應根據以上分析合理地佈置建築物周圍環境，改變建築物周圍的氣流流場，創造良好的建築物室內外通風環境。對於建築物群背風側的建築物，也應透過數值模擬計算分析，研究前棟建築物的阻擋狀況以及周圍建築物，尋找特定環境下的通風特點，採取不同的方法和措施，使建築物室內外獲得良好的自然通風環境。
4總結
對於受多種因素和條件影響的住宅小區室外環境，以及應用廣泛、功能強大的FLUENT軟體，本文僅分析和應用了一小部分內容，隨著計算機技術的發展，綜合考慮室外太陽輻射、建築周圍綠化等因素將成為生態建築環境數值研究的一個新方向，而大渦模擬、直接模擬也將會應用的越來越多，使數值模擬技術在實際工程應用中發揮重要作用。
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