基于CFD的校园室外风环境模拟分析和优化设计.pdf
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1、收稿日期:2022-01-04作者简介:胜兴(1985-),男,辽宁沈阳人,高级工程师,硕士。基于CFD的校园室外风环境模拟分析和优化设计胜兴1,崔洁1,季爱宇2,李晖1,刘宇昕1(1.沈阳工程学院 能源与动力学院,辽宁 沈阳 110136;2.辽宁长鑫工程技术有限公司,辽宁 开原 112300)摘要:针对某大学校园的室外风环境问题,建立校园内建筑的三维计算模型,通过PHOENICS软件确定合理的计算区域、网格划分及边界条件,利用 模型算法对夏季和冬季的校园风环境分别进行模拟计算。根据模拟结果,探讨校园内存在的风环境问题及形成的原因,结合相关的评价标准及行人的舒适度对室外风环境做出评价,总结该
2、高校校园的风环境特征,从校园整体布局、建筑群布局优化、建筑单体设计等方面提出优化风环境的策略,为校园的建设和规划提供参考和借鉴。关键词:校园建筑;CFD模拟;室外风环境中图分类号:TU119文献标识码:A文章编号:1673-1603(2023)03-0001-05DOI:10.13888/ki.jsie(ns).2023.03.001第 19 卷第 3 期2 0 2 3 年 7 月Vol.19 No.3Jul.2023沈阳工程学院学报(自然科学版)Journal of Shenyang Institute of Engineering(Natural Science)风环境作为室外影响人体舒适
3、度的重要因素之一1-2,已经受到业内诸多学者的关注。目前,研究室外风环境的方法主要有3种:实地测量、风洞试验及使用计算流体力学(CFD)技术对流场进行模拟。张泽超等3利用HYBPA2019软件,对某住宅区室外风环境进行了模拟研究,得到了该小区冬夏两季的风速、风压及空气龄数值。单雅琪4利用ENVI-met模拟了布局模式在高层住宅园区内的冬季风环境情况,分别从风速值和风速变化比两个方面分析了建筑周围的风环境,得出了高层建筑园区内的不同布局形式对建筑室外的风环境的影响。李静5对居住区的风环境进行了模拟,指出应根据具体的流场分布情况调整建筑群的布局,以达到最好的风环境优化效果。闫凤英6等的研究表明:高
4、层建筑会使周边区域的风速增大,影响范围集中横向与纵向的过道内。石银超7利用CFD软件探究了人行高度处风环境的特征,指出地区宽度对居住区的风环境影响较大,长度对住宅区内的风环境影响相对较小。张玲玲等8利用CFD软件对某中学建筑群规划方案中的夏季和冬季的风环境进行分析,针对室外风环境存在的问题,考虑了建筑结构及布局与风环境的关系,对建筑方案进行了优化,使风环境达到了安全、舒适、节能的效果。随着CFD模拟成果的日益精进,智能寻优算法也开始应用于建筑室外风环境的优化设计中,为设计师提供决策支持9-10。1模拟概述1.1校园建筑布局以某大学校园为研究对象,校园中的各种建筑布局如图1所示。第 19 卷沈阳
5、工程学院学报(自然科学版)1-入口;2-校部办公楼;3-国际教育学院;4-大学城宾馆;5-团校办公楼;6-图书馆;7-后勤办公楼;818-教学类建筑;19-大学生活动中心;20-体育馆;2126-学生生活区;21-浴池;2224-食堂;2526-学生宿舍;27-校医院;28-后勤办公楼;29-入口;30-后勤办公楼图1校园建筑布局1.2风环境简述校园内建筑物的布局形式、外形尺寸及周围的地形地貌会显著改变近地面风场的结构。当风速较大时,建筑物周围会出现强风,形成恶劣的风环境。如果强风出现在建筑物的出入口、通道等人员频繁活动的区域时,会使人感到不舒适,甚至造成伤害。表1是室外不同风速对人们活动的影
6、响情况判别表,此表给出了不同风速引起的风效应。表1不同风速对步行者的影响情况1234567无风-轻风轻风微风和风清风强风疾风1.51.63.33.45.45.57.98.010.710.813.813.917.1平静,无可察觉的风脸颊上感觉到风的轻拂轻质旗帜招展,扰动头发,衣襟飘动尘土扬起,纸片飞动,头发吹乱身体可感觉到风力,雪被吹离地面,令人觉得愉快的地面风的上限举伞困难,头发被吹直,稳步行走困难,耳边的风声令人不悦,吹离地面的风雪超过行人高度行走觉得不便蒲氏风级名称风速/(m s-1)效果8910大风烈风狂风17.220.720.824.424.528.4前行困难,在阵风中保持身体的平衡极
7、度困难人被阵风吹倒拔树,建筑物毁坏,陆上不常见蒲氏风级名称风速/(m s-1)效果2模拟条件2.1物理模型根据图 1 量取主要建筑的实际三维尺寸,用SpaceClaim2021R1建立校园的实际物理模型。为简化模型计算量,该模型只考虑对建筑的主要特征建模,输出stl格式文件,以便输入到PHOENICS软件中进行模拟分析,如图2所示。图2简化后的校园物理模型2.2计算区域的确定及网格划分2.2.1计算区域的确定将物理模型导入到 PHOENICS 软件中,得到模型的边界尺寸:长为1 342 m,宽为1 004 m,高为33 m。在确定模型的计算边界尺寸时,以不影响建筑群边界气流的流动为准,通常将边
8、界尺寸增大3倍以上。所以,该模型的计算域尺寸:长为9 000 m,宽为6 000 m,高为120 m。2.2.2网格划分利用PHOENICS软件自带的PARSOL网格划分方法,对计算域进行网格划分:首先,整个计算域的x方向为360个网格数,y方向为280个网格数,z方向为 60 个网格数,网格总数为 604.8 万个;其次,将建筑模型所在的区域(2,2,0)进行加密处理,加密方法是在x方向与y方向上控制此区域的网格表1(续)2第 3 期胜兴,等:基于CFD的校园室外风环境模拟分析和优化设计数为(150,80)。网格划分如图3所示。图3计算域的网格划分2.3风参数本文分别对夏季和冬季校园内的风环
9、境进行数值模拟,根据 GB 50736-2012 民用建筑供暖通风与空气调节设计规范,参考高度为10 m处的平均风速,夏季的主导风是西南风(SW),冬季的主导风向是东北风偏北(NNE),风向数据如表2所示。表2风向数据季节夏季/过渡季冬季平均风速/(ms-1)3.53.6风向SWNNE大气压强/Pa1 000.91 020.82.4边界条件2.4.1入口边界条件在确定入口边界条件时,沿空气的来流方向将风速简化为均匀分布,风速沿建筑高度方向呈梯度递增趋势。在模拟分析时,按大气边界层理论设置风速,考虑不同的下垫面对风速梯度的影响不同,如图4所示。边界层的距离100风速梯度/%518 m907052
10、40边界层的距离边界层的距离风速梯度/%风速梯度/%396 m10010056274 m9592968678开阔农村或海面城市中心森林区6005004003002001000图4不同地形大气边界层曲线高度与风速的计算公式如下9:Vh=V0(h/h0)n式中,Vh为高度h处的风速;V0为基准高度h0处的风速,一般取10 m处的风速,夏季风速为3.5 m/s,冬季风速为3.6 m/s;n为地面粗糙度9。2.4.2出口边界条件本次模拟将出口设置为自由出口,出口边界条件为充分发展的流出边界条件。计算域的上空及两侧距离目的计算域较远,沿切线方向的速度梯度没有变化。因此,出口边界条件为自由滑动面边界条件。
11、2.5收敛判断条件本文采用室外风环境商用PHOENICS软件进行模拟,湍流模型采用标准k-模型,离散方式采用二阶迎风格式,根据夏季、过渡季、冬季的环境主导风向、风速对建筑方案周边的风环境进行模拟。设置计算域的计算步数为2 000,终止标准为连续性方程与动量方程的残差在1.0E-2以下。3模拟结果分析本文应用PHOENICS对模拟结果进行数据后处理,截取建筑物周围人行区距地高1.5 m处的风场、风矢量图、室外压力场和建筑物外表面的压力,与 GB/T 50378-2019 绿色建筑评价标准 中的第8.2.8条规定及表1数据进行比较分析,研究主要区域内是否存在风环境问题并给出合理的改进意见,为校园后
12、期改建和扩建提供参考依据。3.1夏季的模拟结果分析图5为夏季校园距地面1.5 m处的风速分布图。4.836 6064.534 7514.232 8963.931 0413.629 1863.327 3313.025 4762.723 6202.421 7652.119 9101.818 0551.516 2001.214 3450.912 4900.610 6350.308 7790.006 924Velocity,m/s图5夏季校园距地面1.5 m处的风速分布3第 19 卷沈阳工程学院学报(自然科学版)由图5可知:校园主干路的走向与夏季主导风向一致,大学生活动中心、体育馆及运动场将校内风环境
13、分为2个区域:教学办公区和生活住宿区。教学办公区内的建筑分布在主干路两侧,布置形式有利于夏季通风,形成“穿园风”效果,场地内没有明显的涡流区,有利于污染物扩散,提高场地内的空气质量;校园的生活住宿区处于主导风向的下风向,有利于提高该区域的舒适性。区域内1.5 m高度处的速度最大值为4.84 m/s,校园内主干路及主要教学楼附近的风速均在2 m/s3 m/s范围内,与表1中的数据对比可知:该区域为轻风范围内,通风效果及人体感受均良好,大部分建筑背面的风速在1 m/s以下,不利于污染物的扩散,可能会有垃圾滞留。图6和图7分别为夏季建筑物迎风面与背风面的压力分布云图。7.6665136.525 35
14、45.384 1964.243 0373.101 8791.960 7200.819 561-0.321 597-1.462 756-2.603 915-3.745 073-4.886 232-6.027 391-7.168 550-8.309 709-9.450 867-10.592 03Pressure,Pa图6夏季建筑物迎风面压力分布7.666 5136.525 3545.384 1964.243 0373.101 8791.960 7200.819 561-0.321 597-1.462 756-2.603 915-3.745 073-4.886 232-6.027 391-7.168
15、 550-8.309 709-9.450 867-10.592 03Pressure,Pa图7夏季建筑物背风面压力分布由图 6 和图 7 可知:建筑物迎风面的压力分布范围为 3 Pa7.6 Pa,背风面的压力分布范围为-0.5 Pa0.5 Pa,迎风面与背风面的压力差的范围为3.0 Pa7.0 Pa。根据GB/T 50378-2019 绿色建筑评价标准 的要求,迎风面与背风面的表面风压差不大于5 Pa。因此,图1中的2号、3号、4号、8号、10号、13号、15号、24号、26-10号建筑不能满足此项要求;但从建筑布局上看,2号、3号及8号均为第一排迎风建筑,可以不满足此项要求;10号、24号及
16、26-10号建筑前的空地过大,导致迎风距离增加,出现了局部压力过高的现象。在夏季,迎风面与背风面的表面风压差大,可增加建筑通风效果,基本满足建筑使用的要求。3.2冬季的模拟结果分析图8为冬季校园距地面1.5 m处的风速分布。6.205 5505.817 7035.429 8565.042 0094.654 1624.266 3153.878 4693.490 6223.102 7752.714 9282.327 0811.939 2341.551 3871.163 5410.775 6940.387 8470.000 000Velocity,m/s图8冬季校园距地面1.5 m处的风速分布由图8
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