不同风向下城市街区风环境的模拟

摘要：利用CFD软件Fluent 建立了一个三维城市街区十字路口模型，模拟了3 种风向条件，在沙尘天气下街区速度场以及粒子浓度场的分布情况。结果表明，街区的建筑物布局与风向共同作用，会对街区的风环境及室内空气品质（IAQ）产生很大影响。
　　0 引言
　　城市街区的大气环境问题是近年来环境、大气和暖通学科的共同研究热点[1-2]。国内外一些学者研制和开发了不少针对街区污染的数值模式，如吕萍[3]等人利用N-S 方程组和大气平流扩散方程，采用伪不定常方法建立的一个模拟微尺度街道峡谷内流场及机动车排放污染物扩散规律的并通过验证的二维数值模式，对街道峡谷几何结构及街道两侧建筑物高度对称性与街谷内流场及污染物浓度场之间的复杂关系进行了数值模拟研究。Meroney[4]等人对多个不同城市街渠单体在来流风向垂直于街渠时其内部的气流结构和湍流特征进行了模拟。也有人对建筑小区以及不同风向下的建筑群小区内部流场和气态污染物做了研究[5-7]。而Xiaomin Xie [8]等人主要考虑建筑物高度这一参数对街谷中汽车尾气扩散分布的影响。
　　但这些模式的一个共同缺点是，只能模拟极度简化的街区，仅考虑两侧为连续建筑物的街道峡谷的情况。而实际街区建筑物布局远比这些模式所考虑的情况复杂，街道两旁建筑物通常参差不齐，街道本身的布局也纵横交错，已有的街道峡谷模式，无论从定量还是定性上对实际的街区都力不从心。城市街区模式大致可以认为是由建筑群和一定面积的平地(如公园、公共绿地和交通干线)组成，例如城市中普遍存在的十字路口就是由交通干线和建筑群组成的街区，目前针对这方面的空气污染研究还很少。
　　而在突变的沙尘天气状况下，城市街区的空气质量将发生比较大的变化，为了能够更加准确地进行城市街区的规划与设计以利于居民生活的健康，有必要对恶劣天气的街区浓度场进行模拟。
　　CFD(Computational Fluid Dynamics)是一种研究流体力学的计算技术，利用CFD建立研究对象的计算模型，将流体动力学应用于模型上进行计算，可以分析研究流体在该模型上的动力学和热力学行为。街区内大气环境问题本质上可看作一种带有物质(污染物)输运的流体力学问题，因而在2008 年12 月 洁净与空调技术CC&AC 第4 期设立合理计算模型和边界条件的前提下，用CFD技术研究街区内的大气环境问题是可能的。
　　本文将针对不同风向，利用CFD软件Fluent建立了一个城市街区十字路口的计算模型，结合分析各个风向下的速度场、压力场以及浓度场，研究室外沙尘天气对自然通风房间空气品质的影响。
　　1 数值模型建立
　　1.1 模型描述
　　本文建立了一个十字路口的计算模型，十字路口在东西南北四个方向上的建筑物对称分布，每个方向上均有2 排3 列共6 栋建筑物，其中所选建筑物尺寸为L?H?W=45 m?15 m?15 m，计算区域的大小会影响到模拟结果的准确性和计算量的多少，多年以来很多学者通过大量的试算，确定当计算区域长度和高度分别为建筑物长度和高度的5倍左右时，可形成无限远边界，根据建筑小区的尺寸，所选计算区域为1220 m?100 m?640 m，建筑模型示意图如图1 所示。分别计算了建筑群在风从正西面(方向1 )、北面(方向2 )以及西北面(方向3，采用沿计算域对角线即与正北方向成60 度夹角)吹来的情况，来流风速取3 m/s。粒子源为沙尘天气中来流所携带的粒子。

　　建筑物模型在计算区域内建筑物附近采用较密集的网格, 而远离建筑物处采用稀疏的网格。计算区域用fluent 软件中的前置处理器gambit 采用四面体网格进行网格化。本文研究的流场属于自然对流紊流流场，湍流模型选择标准 k-e 模型模拟湍流流动，壁面处理采用非平衡壁面函数方法。为提高模拟精度并保证物理结果的真实性，各控制方程的差分格式为二阶迎风格式。采用SIMPLE算法作为流场的压力速度耦合方法，并采用了波希涅斯(Bo us s in e s q)假设。
　　1.2 模型验证
　　为保证数值模拟方案在分析建筑周围流体的可靠性，需要先验证上述数学模型的合理性。Hall等[9]用风洞实验研究了一个中庭模型的流场，并提供了实验细节和测试数据，故本文先用文献[9]的实验数据验证数值模拟的准确性。
　　图2 给出了模拟与Hall 实验结果的比较，其中A和B分别为气流方向距中庭区域为5倍和6倍建筑高度的上风向位置处2 个模拟点;h 为考察点高度，U 为背景风速。可见，A，B 两处风速沿高度变化的模拟结果与文献[9]实测风速廓线有很好的一致性，表明本文所采用的数值模拟方法可以用于随后的研究中。

　　2 模拟结果及分析