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CFD在绿色建筑室外风环境评价中的应用研究重庆大学硕士学位论文（专业学位）学生姓名：韩沐辰指导教师：丁勇教授学位类别：工程硕士（建筑与土木工程领域）重庆大学城市建设与环境工程学院二O一五年五月 ResearchonCFDApplicationofGreenBuildingOutdoorWindEnvironmentAssessmentAThesisSubmittedtoChongqingUniversityinPartialFulfillmentoftheRequirementfortheProfessionalDegreeByHanMuchenSupervisedbyProf.DingYongSpecialty:ArchitectureandCivilEngineeringCollegeofUrbanConstruction&EnvironmentalEngineeringofChongqingUniversity,Chongqing,ChinaMay,2015 中文摘要摘要随着我国绿色建筑行业的高速发展，绿色建筑评价标识项目的质量受到了越来越多的关注，现有标识项目的“绿色化程度”成为了焦点。如何让绿色建筑走出设计室，让用户可感知、可监督，营造更生态友好、更人性化的绿色建筑成为当务之急。借鉴中国传统文化里模仿大自然的智慧和创造，将这种理念与节能减排结合起来，绿色建筑的内涵便可得到进一步的延伸。而这其中，最引人关注的焦点之一便是绿色建筑与风环境的融合设计。如何通过合理的建筑室外风环境设计，达到舒适、安全的风环境营造目的，并进一步改善建筑室内风环境成为业界的研究热点。由于在方案设计阶段，设计方仅可通过CFD（CompututionalFluidDynamic计算流体力学）软件对建筑室外风环境进行模拟分析，而风环境模拟预测分析报告是参评时的唯一重要支撑资料，因此CFD技术的应用方法便成为建筑室外风环境评价工作中的关键因素。本文首先综合建筑风工程学、计算流体力学的基础理论，集成现有的理论研究成果，对不同建筑布局、地形地貌、气候条件的建筑风环境进行了理论分析。通过对比分析不同研究机构及地区的标准条文中关于CFD在建筑室外风环境中的应用要求，总结出我国现有标准中关于建筑室外风环境CFD模拟要求的技术要点及其差异性。在此基础上，基于24个我国绿色建筑标识项目，从工程应用的角度分析我国绿色建筑室外风环境CFD模拟及评价应用现状，并与现有标准中CFD应用指导要求进行对比，提出了部分技术关键点的修改意见，同时总结出适用于我国绿色建筑室外风环境评价的CFD模拟计算报告模板。最后，通过构造典型建筑模型，采用多方案对比的研究方法，对湍流模型选择和地形物理模型简化问题进行了深入分析，提出适用于建筑室外风环境CFD模拟的湍流模型选择方法及关于地形物理模型再现的要求。关键词：计算流体力学，绿色建筑，室外风环境，评价，模拟I 英文摘要ABSTRACTWiththerapiddevelopmentofChina'sgreenbuildingindustry,thegreenbuildinglabelingprogramshavereceivedmoreandmoreattentionandexistingidentity"greendegree"hasbecomethefocus.Howtomakegreenbuildingsoutofthedesign,lettheuserperceived,supervisionandcreatingamoreeco-friendly,morehumanizedprojectbecometheurgentmatter.LearningfromthewisdomofimitatingnatureinChinesetraditionalcultureandcreativity,combiningtheconceptandtheenergyconservationandemissionsreduction,theconnotationofgreenbuildingcanbefurtherextended.Aboveallthings,themostattentionisthedesignofthebuildingwindenvironment.Howtoachievetheaimofcreatingcomfortableandsafeoutdoorwindenvironmentandfurtherimprovingthebuildingindoorairenvironmentthroughthereasonableconstructionofthewindoutdoorenvironmentdesignhavebecomethefocusintheindustry.Becauseinthedesignstage,thedesignerscanonlyuseCFDsoftwaretosimulatethebuildingoutdoorwindenvironment,andthewindenvironmentsimulationpredictionanalysisreportistheonlyimportantsupportingdocumentfortheassessors,sotheapplicationofCFDtechnologymethodshasbecomethekeyfactorintheassessmentofconstructionofthebuildingoutdoorwindenvironment.Thispaperfirstsynthesizebuildingwindengineeringandcomputationalfluiddynamictheory,integratingtheexistingtheoreticalresearchresultstoanalyzethebuildingoutdoorwindenvironmentwithdifferentarchitecturallayout,topography,andclimateconditionsintheory.ThensumminguptheexistingstandardsinourcountryabouttheconstructionofthebuildingoutdoorwindenvironmentCFDsimulationrequirementsofthetechnicalsystemanditsdiversitythroughthecomparativeanalysisindifferentresearchinstitutionsandregionalstandardabouttheapplicationofCFDintheconstructionofthebuildingoutdoorwindenvironment.Onthisbasis,analyzingtheCFDapplicationstatusofthebuildingoutdoorwindenvironmentsimulationgandassessmentinChinabasedon24greenbuildinglabelingprojects,fromtheperspectiveoftheengineeringapplication.ThencomparingitwithexistingstandardsofCFDapplicationguidancerequirements,puttingforwardsometechnicalkeypointsofrevisionopinion,andatthesametime,summarizinggreenbuildingoutdoorwindenvironmentevaluationofCFDsimulationreportIII 重庆大学硕士学位论文templatesuitableforChina.Attheendofthepaper,analyzingtheturbulencemodelselectionandterrainphysicalmodelsimplificationbytheconstructionofthetypicalbuildingmodelsandtheschemecomparisonresearchmethods.PuttingforwardsuitablerequirementforturbulencemodelselectionandthephysicalmodelsimplificationforthebuildingoutdoorwindenvironmentofCFDtosimulate.Keywords:Compututionalfluiddynamic,Greenbuilding,Outdoorwindenvironment,Assessment,Simulation.IV 目录目录中文摘要.............................................................................................................................................I英文摘要..........................................................................................................................................III1绪论.................................................................................................................................................11.1研究背景..................................................................................................................................11.1.1绿色建筑发展历史....................................................................................................11.1.2我国绿色建筑发展的政策引导与技术支持.............................................................21.1.3我国绿色建筑发展现状............................................................................................41.1.4CFD在绿色建筑中的应用推广.................................................................................61.2计算流体力学CFD在建筑室外风环境中的研究现状........................................................71.2.1CFD计算模型选择.....................................................................................................81.2.2CFD网格生成技术研究.............................................................................................91.2.3CFD模型简化研究...................................................................................................101.2.4CFD计算区域选择...................................................................................................101.2.5CFD的V&V验证....................................................................................................111.3存在的问题............................................................................................................................111.4本文研究的主要内容及技术路线........................................................................................122建筑风环境的理论研究....................................................................................................132.1建筑风环境的形成机理........................................................................................................132.1.1建筑风环境概念......................................................................................................132.1.2风环境与建筑选址..................................................................................................152.1.3风环境与建筑群布局..............................................................................................182.1.4风环境与建筑群体立面布局..................................................................................192.2建筑风环境的评价方法........................................................................................................202.2.1国外建筑风环境评估方法......................................................................................202.2.2我国绿色建筑风环境评价方法...............................................................................232.3建筑风环境研究方法............................................................................................................242.3.1现场实测..................................................................................................................242.3.2风洞实验模拟..........................................................................................................242.3.3数值模拟计算..........................................................................................................242.4本章小结................................................................................................................................253计算流体力学的理论研究...............................................................................................27V 重庆大学硕士学位论文3.1计算流体力学的概述............................................................................................................273.1.1计算流体力学的概念..............................................................................................273.1.2计算流体力学的工作步骤......................................................................................273.1.3计算流体力学的特点..............................................................................................283.1.4计算流体力学的应用领域......................................................................................293.2计算流体力学的解析方法....................................................................................................313.2.1离散化方法..............................................................................................................313.2.2差分格式..................................................................................................................323.2.3湍流模型..................................................................................................................333.2.4网格生成..................................................................................................................363.2.5边界条件..................................................................................................................373.3常用CFD商业软件介绍.....................................................................................................383.4建筑室外风环境CFD模拟的规范分析..............................................................................403.4.1物理模型简化..........................................................................................................403.4.2计算区域..................................................................................................................413.4.3差分格式..................................................................................................................423.4.4湍流模型..................................................................................................................423.4.5网格生成..................................................................................................................423.4.6边界条件..................................................................................................................433.4.7收敛判定..................................................................................................................453.5本章小结................................................................................................................................484CFD工程案例研究...............................................................................................................494.1实践项目概述........................................................................................................................494.1.1地域分布..................................................................................................................494.1.2星级分布..................................................................................................................504.1.3建筑类型..................................................................................................................514.2实践项目室外风环境分析....................................................................................................514.2.1风资源对建筑室外风环境的影响..........................................................................514.2.2建筑选址对室外风环境的影响..............................................................................544.2.3群体建筑布局对室外风环境的影响......................................................................584.3实践项目CFD应用现状分析.............................................................................................664.3.1气象参数..................................................................................................................664.3.2模拟工况..................................................................................................................684.3.3物理模型..................................................................................................................73VI 目录4.3.4计算区域..................................................................................................................754.3.5湍流模型..................................................................................................................784.3.6网格生成..................................................................................................................784.3.7收敛判定..................................................................................................................844.4模拟报告模板........................................................................................................................864.5本章小结................................................................................................................................915CFD典型模型研究...............................................................................................................935.1典型模型的构建原理及方案................................................................................................935.1.1建筑布局..................................................................................................................935.1.2物理模型...................................................................................................................935.2典型模型CFD应用方案......................................................................................................975.2.1CFD应用软件及湍流模型.......................................................................................975.2.2气象参数及模拟工况..............................................................................................975.2.3边界条件..................................................................................................................985.2.4计算网格..................................................................................................................985.2.5计算区域..................................................................................................................995.2.6收敛判定..................................................................................................................995.3CFD关键技术点对模拟应用效果的影响..........................................................................1025.3.1湍流模型对模拟应用效果的影响.........................................................................1025.3.2物理模型对模拟应用效果的影响.........................................................................1075.4本章小结..............................................................................................................................1136结论与展望.............................................................................................................................1156.1主要结论..............................................................................................................................1156.2展望......................................................................................................................................116致谢..................................................................................................................................................117参考文献........................................................................................................................................119附录..................................................................................................................................................123VII 1绪论1绪论1.1研究背景随着我国工业化、信息化、城镇化和农业现代化的高速发展，人口、环境、资源的压力日益凸显。在未来的很长时间内，应对气候变化和能源危机是我国必须给予高度重视的艰巨任务。为此，十八大报告特别提出，节约资源是保护生态环境的根本之策。随着我国建筑面积的快速扩张以及居民生活水平的不断提高，建筑领域将成为我国未来20年内的主要用能增长点，因此走中国特色低碳发展道路是解决我国建筑能耗问题的必经之路。《国家中长期科学和技术发展规划纲要（2006-2020年）》明确提出了“城镇化与城市发展”领域的“建筑节能与绿色建筑”优先主题。加快发展绿色建筑，不仅是决定我国建筑业发展方式和城乡建设模式转变的重要途径，也直接关系到群众的切身利益和国家的长远发展。绿色建筑在全生命周期内能够最大限度的节地、节能、节水、节材，减少环境污染，改善居住体验，创造出舒适性、健康性和安全性兼备的优质环境。我国高能耗建筑占比高达95%，如果达到同样的室内舒适度，单位建筑面积能耗是同等气候条件下发达国家的2~3倍，由此可以看出，我国发展绿色建筑的前景广阔。1.1.1绿色建筑发展历史第二次世界大战以后，以美国、欧洲、日本为代表的发达国家进入飞速发展时期，同时由于受到20世纪70年代石油危机的影响，各国逐渐意识到建筑作为消耗自然能源最多的行业也应当进行可持续发展，建筑能耗问题开始备受关注。绿色建筑的概念也在20世纪60年代适时地被提出来。绿色建筑的提出是对人类古代、近代和现代建筑艺术的传承和发展，是对节约资源和保护环境理念的传承和发扬。这种理念早在古罗马的维特鲁威的《建筑十书》中便有所体现。该书是古代西方建筑思想的主要体现，奠定了西方建筑科学的基本体系，完整系统的总结了古罗马和希腊建筑的实践经验。维特鲁威主张[1]一切建筑都应考虑其“实用性、坚固程度、美观效果”，应与自然融合，并提出”与其建造其他装饰华丽的房间，不如建造对收获物能够致用的房舍“的建筑实用思想，他提出的“建造适于居住的健康住宅”的思想包含了“绿色建筑”的发展理念。20世纪60年代，意大利建筑师保罗·索勒瑞首次将生态与建筑融合在一起，并提出“生态建筑”的理念，这可以认为是“绿色建筑”的早期雏形。1990年英国建筑研究所BRE率先制定了世界上第一部绿色建筑评估体系BREEAM1 重庆大学硕士学位论文（BuildingResearchEstblishmentEnvironmentalAssessmentMethod）。1992年，巴西里约热内卢召开联合国环境与发展大会UNCED，会上提出《21世纪议程》，强调了可持续发展的概念，即“既满足当代人的需求，又不对后代人满足其需求的能力构成危害的发展”，并在会上首次明确地提出了“绿色建筑”的概念。目前，全球绿色建筑评估体系已多达20多个（表1.1），而且有越来越多的国家和地区将绿色建筑标准作为强制性规定推行。[11]表1.1世界部分国家和地区的绿色建筑评估体系Table1.1Greenbuildingassessmentmethodsofseveralcountriesanddistructs国家（地区）体系拥有着体系名称参考网站英国BREBREEAMhttp://www.breeam.org美国USGBCLEEDhttp://www.usgbc.org日本日本可持续建筑协会CASBEEhttp://www.ibec.or.jp/CASBEE加拿大GBSGBToolhttp://www.worldgbe.org德国德国联邦政府EnEvhttp://www.enev-online.de澳大利亚DEHNABERShttp://www.nabers.gov.au丹麦SBIBEAThttp://www.by-og-byg.dk法国CSTBESCALEhttp://www.cstb.fr芬兰VITLCAHousehttp://www.vtt.fi/rte/esitteeet意大利ITACAProtocollohttp://www.itaca.org挪威NBIEco-profilehttp://www.buggforsk.org荷兰SBREco-Quantumhttp://www.ecoquantum.nl瑞典KTHInfrastructure&PlanningEco-effecthttp://www.infra.kth.se/BBAEvaluationStandardfor中国中国建设部http://www.cin.gov.cnGreenBuilding中国香港HKEnviBuildingAssociationHK-BEAMhttp://www.hk-beam.org中国台湾ABRI&AERFEMGBhttp://www.abri.gov1.1.2我国绿色建筑发展的政策引导与技术支持1973年，我国国务院颁布了首部《关于保护和改善环境的若干规定》（试行草案）。20世纪80年代以后，我国大力推行节能减排理念，建筑节能成为重要关注点，但是有关绿色建筑的系统研究还处于初始阶段。2001年，建设部住宅产业化促进中心研究和编制了《绿色生态住宅小区建设要点和技术导则》，提出以住宅小区为载体，以科技为先导，全面提高住宅小区节2 1绪论能、节水、节地与治污总体水平。2005年，首届国际智能与绿色建筑技术研讨会在北京召开并发表了《北京宣言》（以下简称《宣言》）。《宣言》提出，世纪之交，国际社会普遍对全球环境保护和发展更为关注，以“绿色”为指导思想，将多种先进技术应用于建筑物是促进资源节约和环境保护的有效措施。同时《宣言》还制定了以推进思想交流、加强人才培养、节约与合理利用资源为方向的绿色化道路。2005年3月至2015年3月之间，我国相继举办了第一届至第十一届国际绿色建筑与建筑节能大会暨新技术与产品博览会，大会主题从第一届的“智能绿色建筑与中国建筑节能策略”到第十一届的“提升绿色建筑性能，助推新型城镇化”，体现了我国绿色建筑从“双跨越”发展模式到全面发展的实质性转变。值得一提的是，第二届绿建大会（2006年）上，中华人民共和国住建部正式颁发了《绿色建筑评价标准》（GB50378-2006），该标准是我国首部多层级多目标的绿色建筑评价标准。2007年6月，住建部出台了《绿色建筑评价技术细则补充说明》（试行），同年8月出台了《绿色建筑评价标识管理办法》，规定了绿色建筑等级由低至高分为一星、二星和三星三个星级。2011年8月，国务院印发了《“十二五”节能减排综合性工作方案》。2012年5月，科技部印发了《“十二五”绿色建筑科技发展专项规划》，明确了将绿色建筑共性关键技术体系、绿色建筑产业推进技术体系、绿色建筑技术标准规范和综合评价服务技术体系建设作为绿色建筑发展的三个重要技术支撑点。2013年1月，国务院办公厅以国办发[2013]1号转发国家发展改革委员会、住房城乡与建设部制定的《绿色建筑行动方案》。同年，住建部印发了《”十二五“绿色建筑和绿色生态城区发展规划》（建科[2013]53号），指出”十二五：期间，将选择100个城市新建区按照绿色生态城区标准规划、建设和运行。2014年4月，住建部发布第408号公告，批准《绿色建筑评价标准》为国家标准，编号为GB50378-2014，自2015年1月1日起实施。原《绿色建筑评价标准》GB50378-2006同时作废。“十二五”以来，我国国家科技支撑计划已安排部署了5项建筑节能项目，课题31个；绿色建筑标准与规划设计关键技术项目2项，课题9个；新型建材相关项目3项，课题15个；绿色建造相关项目2项，课题14个；既有建筑绿色改造项目1项，课题7个；建筑工业化相关项目2项，课题10个。上述项目共计15个，国拨经费超过5亿元。目前,已在全国包括北京、上海、重庆、江苏等20余个[3]省市建设覆盖不同气候区、不同建筑类型的绿色建筑示范工程。3 重庆大学硕士学位论文通过政策引导，科技支撑，我国对绿色建筑标准及技术体系开展了深入的研发，有力的推进了绿色建筑的蓬勃发展，使得绿色建筑成为国家行动方案。1.1.3我国绿色建筑发展现状近年来，我国绿色建筑项目数量始终保持着强劲的增长趋势，截至到2014年12月31日，全国共评出2538项绿色建筑评价标识项目，总建筑面积达到29084万㎡（图1.1,图1.2），平均每个绿色建筑的建筑面积为11.5万㎡（图1.3）。图1.12008~2014年绿色建筑评价标识项目数量逐年发展状况Fig.1.1Growthofgreenbuildingassessmentprojectsfrom2008to2014图1.22008~2014年绿色建筑评价标识项目面积（万㎡）逐年发展状况Fig.1.2Growthofgreenbuildingassessmentprojectsfrom2008to20144 1绪论图1.32008~2014年各绿色建筑申报项目平均面积Fig.1.3Theaverageacreageofgreenbuildingassessmentprojectsfrom2008to20142014年，我国绿色建筑数量及建筑面积继续快速增长，全国共评出1092项绿色建筑标识项目，总建筑面积达到12794万㎡。数量同比2013年增长了55.11%，面积同比2013年增长了46.42%。其中：一星级项目数同比增长71.27%，面积同比增长31.62%；二星级项目数同比增长29.22%，面积同比增长41.10%；三星级项目数同比增长96.15%，面积同比增长141.15%。2014年各星级的组成比例为：一星级459项，占42.03%，面积5449万㎡；二星级429项，占39.29%，面积5222万㎡；三星级204项，占18.68%，面积2123万㎡（图1.4）。图1.42014年绿色建筑评价标识项目建筑星级分布Fig.1.4Thedegreedistributionofgreenbuildingassessmentprojectsin20145 重庆大学硕士学位论文从图1.4中可以看出，一星级、二星级绿色建筑标识项目占比较大，三星级绿色建筑标识项目占比较小。结合图1.1,2014年一星级、三星级绿色建筑标识项目数量保持了较高增长，二星级绿色建筑标识项目数量增长略呈缓慢态势。截至笔者发稿，2015年第一季度绿色建筑标识项目公示名单已经发布，共有50个绿色建筑项目获得标识评定，这是《绿色建筑评价标准》GB50378-2014实施以来公示的第一批评定项目，进一步标识了我国绿色建筑领域的发展又上了一个新的台阶。1.1.4CFD在绿色建筑中的应用推广绿色建筑体系是一个高度复杂的系统工程，要构架这一着眼于全生命周期的建筑工程，不仅需要建筑师和环境工程师运用可持续发展的技术与设计手段，还需要项目决策者、工程管理机制、业主、物业和使用者都具备“绿色”意识，共同参与项目构建的全过程。在绿色建筑项目的开发、设计与认证过程中，模拟技术是项目开发初期用于优化设计方案的重要手段之一。在绿色建筑构建全过程内，需要对建筑设计、建筑性能等多个参数进行模拟计算，主要包括建筑室内外风场的模拟计算、建筑能耗模拟计算、建筑室内自然采光模拟计算、建筑声环境模拟计算、热岛强度模拟等。然而，目前我国绿色建筑相关模拟计算存在不规范性，依据《绿色建筑评价标准》GB50378-2014中对绿色建筑相关模拟计算进行的标准化实现探讨，以及如北京市地方《绿色建筑设计标准》中对部分模拟计算的标准化要求，可以看出，针对绿色建筑的模拟计算亟需制定出相关的标准化导则，以促进我国绿色建筑的健康发展。值得一提的是，“建筑室外风环境”作为《绿色建筑评价标准》GB50378-2014中“节地与室外环境”章节的重要组成部分，近年来备受业界关注。因为良好的建筑室外风场不仅可以营造安全、舒适的建筑风环境，利于污染物的排放，避免二次风的出现，还利于建筑室内散热进而降低建筑空调能耗。良好的建筑室外风场营造技术作为绿色建筑中典型的被动式技术代表，经过行业专家多年的呼吁，业界终于逐渐意识到其重要性。鉴于建筑室外风场主要受到建筑布局、朝向、外形参数以及当地气候等因素的影响，而这些因素在建筑方案设计阶段便已确定，所以绿色建筑标识项目室外风场的营造效果只能通过CFD（CompututionalFluidDynamic计算流体力学）软件进行模拟分析，由此给出的风环境模拟预测分析报告成为绿色建筑标识项目认证时的唯一支撑材料。随着计算机性能的大幅提高和模拟技术的快速发展，CFD作为一种数值模拟方法，正在逐渐走向成熟阶段。在建筑内外的流场研究中，CFD作为有力的工具，6 1绪论正在逐步改变传统风场研究方法和实验手段。但是CFD并不是万能的，事实上，作为一项处于快速发展过程中的数值模拟计算，抛开影响CFD计算精度的众多因素不谈，人为因素及模拟过程的不规范化便可导致巨大的模拟结果反差。因此，我们要对CFD有更全面的认识，准确把握CFD的应用准则和操作技巧，只有这样，才能让CFD在建筑室外风场研究领域发挥尽可能大的作用，进一步更加高效准确地指导绿色建筑标识项目的发展。通过对绿色建筑室外风场的研究，借助CFD的帮助，能够在建筑设计中提供一种基于气候的思维方法，在进行绿色建筑设计实践时，以更加开阔的视野对建筑进行客观分析与效果预测，针对特定的建筑风环境条件下建筑场地、技术和形态布局的研究，形成一种系统化的设计体系。更重要的是，通过对CFD在绿色建筑室外风环境模拟与评价中的应用研究，使得风环境评价标准的建立、绿色建筑评价体系的研究更加全面、完整、标准化，并增加一定的可操作性，将是一项极具挑战的重大课题。1.2计算流体力学CFD在建筑室外风环境中的研究现状计算流体力学（ConputationalFluidDynamics,简称CFD）是通过计算机数值计算和图像显示，对包含有流体流动和热传导等相关物理现象的系统所做的分析。1910~1917年，英国气象学家L.F.Richardson通过有限差分法对Laplace方程进行迭代求解来计算圆柱体绕流和大气流动问题，试图以此预报天气情况。虽然他的方法在当时失败了，但是国际CFD学术界一致认为他的工作标志了流体计算力学[5]CFD的诞生。一百多年过去了，CFD的研究随着计算机技术的快速发展，在近30年来取得了很大的成就。今天，以数值求解RANS（ReynoldsAveragedNavier-Stokes）方程和Euler方程为代表的CFD技术已经广泛应用于航空航天、船舶、水利、海洋、汽车、武器装备、化学化工、城市规划、建筑设计等多个领域，并取得了令人瞩目的成就。在计算风工程领域，CFD革命性的改变了传统流体力学研究方法和设计步骤，尤其是在建筑室外风环境设计中的应用，已成为一个重要课题。计算风工程（ConmutationalWindEngineering，简称CWE）的基本思想是采用计算流体力学CFD方法或其他计算方法对风工程进行模拟数值研究。CWE按照其研究空间大小可分为三个类别：宏观风工程，中观风工程，微观风工程。其中，建筑周围人行区域风环境研究属于微观风工程研究领域。1963年，Smagorinsky首次成功应用大涡模拟LES对计算天气预测展开研究，同年，英国物理研究所在特丁顿举行了具有历史意义的首次计算风工程研究会，7 重庆大学硕士学位论文盖茨会议被学术界公认为计算风工程学的开端。2013年7月，第六届欧非风工程大会在英国剑桥举行，国际风工程协会（theInternationalAssociationofWind[6]Eengineering,简称IAWE）在会上宣布开启CWE首次学术会议50周年纪念活动。1992年，在日本东京举办了一次意义重大的CWE专题研讨会，会上首次提出将风工程研究与传统空气动力学结合起来，利用CFD技术解决空气动力学问题[7]。近年来，计算风工程研究中，越来越多的人关注于CFD在建筑室外风速、风压研究并逐渐形成完整的技术研究体系。可以看出，目前的研究工作相较于20世纪50年代，更加关注建筑复杂形体周围的空气流动状况，在这些研究中，仍面临以下难题：1）高雷诺数在风工程中的应用研究需要建立更加精密的网格模型，尤其是在围护结构区域的应用，为了得到更加精确的模拟结果，需要强大的计算机技术支撑；2）针对流体动态模拟的复杂3D建模研究；3）复杂流体表面的离散化数值研究；4）计算流体边界条件研究，尤其是针对LES的研究。以上几个研究难题直接影响到CWE应用中的建模及模拟计算过程，因此，为了解决以上难题，将CFD在建筑室外风环境的应用研究分为以下几个技术要点进行总结。1.2.1CFD计算模型选择湍流模型的选择对CFD计算结果的影响位居各技术要点之首，根据第二届国[8]际阻力预测会议对DLR-F6整机阻力的研究显示，其影响因素占比15%。因此，湍流模型的选择是建筑室外风环境研究中的重要环节之一。针对CFD在建筑室外风场中的研究，常用的湍流模型为Reynolds平均法（RANS），其核心是不直接求解瞬时的Navier-Stokes方程，而是求解时均化的Reynolds方程。RANS方法中，应用最广泛的是两方程模型，包括标准k-ε模型，RNGk-ε模型和Realizablek-ε模型。RANS方法的优点是计算成本低，模型相对简单，在数值计算中波动小、易收敛。相比之下，应用大涡模拟（LES）方法的研究就少了许多。因为LES方法对计算机内存及CPU速度要求较高，目前较少应用于实际工程案例中。Murakami在1990年发表了关于CWE的文献综述，他针对一个实际工程案例利用RANS标准k-ε模型对建筑周围风环境进行了CFD数值研究。并将其模拟[9]结果与风洞实验数据进行对比，该研究主要针对建筑阳台风速、风压研究。Stathopoulos在2006年利用RANS标准k-ε模型对建筑室外人行区域风场及室外[10]舒适区进行了研究，该研究是针对群体建筑的。Yoshieetal在2007年发表了日本气象协会（AIJ）关于计算风工程学的研究报告，报告中作者将大量实际建筑工程CFD应用结果与风洞测试数据及实地测试数据进行对比，并形成AIJ关于CFD在建筑室外人行区域风环境应用中的指导手册。在AIJ的研究中，他们采用的仍[11]为RANS标准k-ε模型。8 1绪论Ferreira等人在2002年发表了关于1998年世界博览会会馆建筑的室外风场研究，在该研究中，他利用RNGk-ε模型对该会馆区域的两栋独立建筑进行研究，[12]并将CFD模拟结果与风洞测试结果进行对比。Blocken等人在2004年对三栋高层建筑室外人行区域走廊风环境舒适性进行了研究，他采用Realizablek-ε模型对建筑室外走廊风环境进行数值模拟，并将模拟结果与风洞实验数值对比。该研究的主要创新点是将CFD模拟结果与统计气象[13]数据和舒适标准结合起来，并最终形成了建筑室外风环境不舒适区评价体系。Blocken和Persoon在2009年对荷兰阿姆斯特丹圆形足球场周围人行区域风场及进[14]行了研究，他们采用Realizablek-ε模型对两种不同建筑物外的风场进行了模拟。He和Song在1999年首次利用LES大涡模拟方法对建筑室外人行区域风环境进行了研究，他们针对三栋不同建筑及两种风向分别进行了模拟计算。近年来，针对LES大涡模拟方法的研究越来越多，但是由于LES属于高雷诺数模型，当使用LES求解近壁面区域内的低雷诺数流动时，仍需使用其他处理方式进行修正参[15][16]考。考虑到计算的复杂性，LES多在超级计算机或网络机群并行的环境下进行。国内针对CFD计算模型的研究主要集中于RANS方法中不同k-ε湍流模型的模拟精度比较。马剑等人采用Reynolds时均N-S方程和RNGk-ε湍流模型对单栋方形截面建筑和多栋矩形截面建筑组成的建筑群周围风环境进行数值模拟，并将模拟结果与风洞实验进行对比，得出结论认为，RNGk-ε湍流模型相比于风洞数值，在建筑[28]物拐角区域结果偏大，背风负压区域结果吻合良好，总体上较好。杨伟等人采用标准k-ε和Realizablek-ε两种湍流模型对大气边界层内单栋建筑周围风场进行数值模拟，并将模拟结果与风洞实验结果进行对比，提出Realizable[29]k-ε模型数值模拟精度更高。北京市《绿色建筑设计标准》DB11/938-2012中对室外风环境模拟建议，湍流模型的选择应根据计算精度选择，当计算精度不高且仅关注1.5m高度处流场时可采用标准k-ε湍流模型，当计算精度要求高或是需要计算建筑表面风压系数时，[30]建议采用各向异性湍流模型，如Durbin模型或MMK模型等。1.2.2CFD网格生成技术研究网格是CFD计算模型的几何表达形式以及模拟分析的载体。相比于计算模型，[8]网格划分对CFD模拟结果的影响较小，达到11%。目前大多工程案例中采用专用网格生成软件来制作所需要的网格，部分CFD商用软件更是自带网格生成功能，大大降低了对操作者专业知识的要求。网格生成是CFD应用中工作量需求最大的部分，即便是在CFD技术发达的国家，网格生成工作仍占整个CFD应用工作时间的70~80%。因此，网格生成技术9 重庆大学硕士学位论文受到CFD学术界及工作者的广泛关注。NASA在1992年成立了NASASurfaceModelingandGridGenerationSteeringCommittee，并于1986~1998年先后举办了6届国际网格生成会议。国外研究中，针对网格生成技术的研究多由专业计算机学者展开，而针对建筑室外风环境模拟中的CFD网格技术研究相对较少。欧洲COSTAction732要求，网格生成的原则是不能因为过大而引入模拟误差，同样也不能因为过于精密而导致计算超时。针对不同的计算模型和工程模型，需要选择不同的网格生成技术。更重要的是，为了保证CFD模拟精度，模型高梯度区域的网格压缩/拉伸比应尽量的小，两个相邻网格之间的膨胀率应小于1.3。Scaperdas和Gilhan[17]等人甚至建议将此膨胀率降低在1.2以内。杨立国等人提出采用一种行的内、外域计算域分区构造和网格划分方法，将计算区域分成内域和外域两个部分，内域包含研究所关心的计算模型，并采用域外域不同的网格划分方法，例如可采用四面体单元生成内域非结构体网格；在外域则采用六面体结构化网格进行离散。采用这种混合网格生成技术既可保证计算模型的准确性，也可有效分配有限的计算资源，同时还可以达到提高数值迭代过[33]程收敛性的目的。李魁山等人认为网格生成时，应保证相邻网格中心连线呈平衡状态，优先采[33]用六面体网格结构，其次考虑采用棱柱或四面体混合网格结构。1.2.3CFD模型简化研究早期的CFD应用中，多采用2D建模方法模拟流体运动，例如Yamada和Merone在1972年利用2D模型对正方体周围流场进行了研究，并通过风洞实验对CFD模[18]拟结果进行验证。Frost等人在1974年利用半椭圆形障碍物模拟理想建筑，采用[19]2D建模方式对其周围的风环境进行了研究。20世纪80年代起，3D建模逐渐增多。当时的CFD研究多是针对单体建筑进行的，例如针对长方体建筑进行3D建模，研究其周围流场风速风压的分布情况[20-24]。20世纪90年代起，随着前期研究的不断深入以及CFD商用软件的开发，更多学者将研究重点转至群体建筑风场研究。由于建筑形体对风场影响显著，因此精确的工程建筑是保证CFD数值模型结果的重要技术点之一。但是由于流体在近壁面的流动是极其复杂的，建筑复杂边界的流场往往需要耗费大量人力物力才能达到准确的模拟效果，为了提高CFD应用效率，往往需要对实际建筑采用模型简化的方法进行研究。1.2.4CFD计算区域选择计算区域的大小直接关系到模拟结果的准确性，计算区域过大会导致网格数增多，进而增加计算量和模拟成本。计算区域不足会导致模拟结果失真，无法对10 1绪论整个流场进行完整描述。合理选择计算区域，有助于在减少计算量的同时保证模拟效果，因此，如何选择计算区域是许多学者及组织关注的热点问题。欧洲科技研究领域合作组织COST在Action732中提出，计算区域的大小取决于所描述的区域及采用的边界条件。根据风洞实验的数据显示，针对高度为H[17]的单体建筑，其计算区域的顶部到建筑顶部的距离应不小于6-10H。日本AIJ研究组织提出，对于高度为H的单体建筑，其侧边界和顶部边界应设置在离建筑[25]顶部距离大于5H处。出流边界至少距离建筑背面10H。德国工程师协会VDI提出采用阻塞率指标来确定高度方向的计算域大小。对于阻塞率较小的单体建筑，入流边界与建筑边界之间的距离推荐值为2H，当阻塞率大于10%时，推荐距离应增加至8%。此外，出流边界至少应设置在距离建筑背面15H处，以保证流场尾流[26]区域充分流动发展。北京市《绿色建筑设计标准》建议，建筑覆盖区域小于整体计算区域面积3%；以目标建筑为中心，半径5H范围内为水平计算域，建筑上方计算区域要大于3H，H为建筑主体高度。1.2.5CFD的V&V验证CFD的V&V验证是英文ValidationandVerification的缩写，译为CFD应用的正确性与准确性验证。V&V验证是CFD评估的重要内容。Validation用于评估数学模型的正确性，即所建立的控制方程是否正确，目前部分商用CFD软件已具备该功能。Verification用于评估计算模型的精确度如何，为达此目的，常将CFD计算结果与高精度理论分析值进行对比。目前，受到国际学术界公认的V&V标准是美国AIAAG-077-1998《GuidefortheVerificationandValidationofComputational[27]FluidDynamicsSimulations》。2013年5月，美国ASME举行了第二届年度ASMEV&V研讨会，组织全球计算流体模拟领域的科研人员就V&V评价体系进行研究，以期完善该评价系统。1.3存在的问题从以上国内外的研究现状可以看出，国外相关研究领域的成果已基本形成体系，并由多个不同地区的专业学术组织给出了关于CFD应用的指导准则，如欧洲COST，德国VDI协会，日本AIJ协会。相比之下，我国针对CFD在建筑室外风场研究中的应用并未形成完整的技术体系，目前仅有部分省市颁布的《绿色建筑设计标准》中涉及该部分内容，随着绿色建筑在我国的快速发展，建筑室外风环境评价越来越受到外界关注，目前现存的2000多例项目中，CFD应用效果如何，计算模拟报告质量如何均无从知晓。为了更快更好地发展适应于我国绿色建筑室11 重庆大学硕士学位论文外风环境研究的CFD应用技术体系及评价标准，从工程实践的角度对目前我国CFD应用现状进行梳理总结势在必行。1.4本文研究的主要内容及技术路线本文基于《绿色建筑评价标准》GB50378-2014中对建筑室外风环境的评价条文，以我国多个实际绿色建筑工程案例为研究基础，致力于梳理总结我国绿色建筑室外风环境模拟评价中的CFD应用现状，结合现有部分地区相关标准条文，提出绿色建筑室外风环境CFD模拟关键技术点的修改意见，进而提出相应的模拟计算报告模板。本研究将CFD数值计算基础理论和建筑室外风工程理论展开分析和讨论，在此基础上，结合多个实际绿色建筑标识项目进行CFD应用效果的统计与分析，通过对多个实践项目的数据对比，与前文中的理论分析结果结合讨论，总结出我国绿色建筑室外风环境模拟评价中CFD应用现状，并根据现有的模拟报告结合《绿色建评价标准》GB50378-2014，提出适用于该标准的CFD室外风环境模拟报告模板。本文的具体技术路线如下：12 2建筑风环境的理论研究2建筑风环境的理论研究2.1建筑风环境的形成机理2.1.1建筑风环境概念风是指由于大气压差所引起的大气水平方向的运动。风的主要成因是地表增温不同而引起的大气压力差。根据研究尺度不同，风可以分为大气环流和地方风两大类。大气环流是指由于太阳辐射不均匀造成地球表面赤道与两极间的温差，由此引发的大气从赤道到两极和从两极到赤道的经常性活动，是造成全球气候差异的主要原因之一。图2.1、2.2分别展示了大气环流的形成原因以及其对地球热平衡的影响。地方风是指由于地表水陆分布、地势起伏、下垫面覆盖等地方性条件不同引起的气流运动，具体包括海陆风、山谷风、季风、庭院风及巷道风等。图2.1大气环流的形成Fig.2.1Theformationofatmosphericcirculation风环境（WindEngineering）研究的是大气边界层内的风与地球表面人类活动及创造的物体直接的相互作用，是空气动力学与气候学、结构动力学等多学科互动的综合学科。风环境的研究始于20世纪60年代，最早开始设置风环境研究中心的国家包括英国的建筑研究中心（BRE）、加拿大大气边界层风洞实验室（BLWT）、美国克洛里达州立大学的流体力学和扩散实验室、日本东京的结构技术研究等。13 重庆大学硕士学位论文图2.2风对地球热平衡的影响Fig.2.2Theinfluenceofthewindfortheheatbalanceoftheearth图2.3某地的风向频率分布图Fig.2.3FrequencyDistributionofwinddirection研究风环境的两个主要指标为风向和风速。风向是指风吹来的地平方向，如西北风指来自西北方向的风。目前常用16个方位表示风的方向。风速是表征单位时间内风前进的距离的物理量，单位为m/s。为了直观描述风向与风速的分布，通14 2建筑风环境的理论研究常采用风玫瑰图对当地风环境状况进行概述。风玫瑰图包括风向频率分布图（图2.3）和风速频率分布图（图2.4）。风向频率是指逐时时段内实测的各个风向出现的频数，计算其在某个时段内的出现百分比并按其比例在各个方位线上标出，最后连接个点而成。根据绘制时段的不同，风向频率图可分为年风向频率图和月风向频率图。图2.3中实线部分表示该地区的年风向频率，虚线为某月风向频率。其中，除圆心以外图中每个圆环间隔代表频率为5%，例如该地区以北风为主，出现频率为23%左右。风速频率图绘制方法类似。不同的图示表示不同的风速分布。图2.4某地的风速频率分布图Fig.2.4Frequencydistributionofwinddirection建筑风环境的研究对象是建筑内外空间空气流动分布情况。从概念角度出发，建筑风环境的研究主体包括风、建筑体、人体。这三个主体之间的有机互动与影响关系是建筑风环境领域的主要研究方向。本文中主要研究风与建筑体之间的关系。2.1.2风环境与建筑选址建筑选址除了受到功能因素的影响以外，还会受到建筑地段大小、形状、道路交通情况、相邻建筑情况、朝向、日照、基地风资源……等各种因素的影响。此处，基地风资源是指因地区季节主导风向、强度等因素以及周围构筑物引起的风场变化和特定地形引起的地形风。从城市规划的角度考虑，为达到利于城市通风及污染物扩散的效果，城市中15 重庆大学硕士学位论文住宅区、行政区、文化区与游览区应布局在盛行风主导风向的上风方，而工厂等释放污染气体的功能区应布局在主导风向的下风方。从建筑选址的角度考虑，为了达到冬季防风、夏季及过渡季通风舒适性的效果，应当选择良好的选址地形和周边环境，通过道路、绿地、湖水河面等空间将风引入建筑区域内部，以避免由于地形等原因导致的空气滞留或风速过大。由于空气的流动会受到温差的影响，因此可以通过适当配置建筑周围不同表面温度的区域，如水面、绿地等不同下垫面的应用。在建筑区域规划中，为了通过改善建筑周围热环境进而影响风环境的优化营造，必须重视绿地和水面的保留和控制。除此之外，为了达到更好的设计效果，还需要注意绿地和水面与建筑设计的有机结合。除了建筑周围环境，建筑地形也对建筑选址和风环境营造有着密切的关系。在有利的地形条件下，可以通过最大限度的优化建筑布局达到风环境优化设计的效果。如果安排的巧妙，可以通过建筑地形高差的来引导风环境的分布，同时还可以达到节省土方工程、形成高低错落的优美布局的效果。下面就从绿地、水面、地形三个方面详细描述建筑选址对风环境的影响：①绿地绿地的营造可通过设置不同种类、高度及位置的植物进行搭配以达到调节小尺度气候的作用。同时，建筑区域内的植被分布也会对风环境起到一定的控制作用。这种作用体现在三个方面：一是对风场营造的引导作用，二是对来流风的遮挡作用，三是对建筑周围风环境的净化作用。图2.5植物改变气流运动方向效果图Fig.2.5Plantschangethedirectionofairflowmovement上图展示了植物对建筑周围风环境的影响效果，图2.5a所示是植物与建筑物组合形成的围合关系，通过营造狭管效应，引导气流高速的进入建筑内部，有利于建筑室内通风，但是同时也对建筑物后方形成遮挡，不利于下风向建筑通风。16 2建筑风环境的理论研究图2.5b中植物在建筑周围形成U型围合，气流通过建筑两侧进入建筑后方，在建筑后方受阻后形成反向气流，两股气流相互混合抵消，对建筑室内及室外风环境都产生不利影响。图2.5c中展示的是一种利于建筑周围风环境营造的植被布局，植物在建筑两侧分布形成通风通道，既不会对下风向建筑形成遮挡，又可以利用狭管效应达到引导气流的效果。此外，在建筑风环境营造中，植物常用作防风效果，通过其对风的遮挡作用，在强风区域可通过适当配置高低不一的防风林，减弱强风的影响。在CFD模拟优化设计中，如果出现建筑周围人行区域风速过大的情况，常采用设计植被的方式进行风场优化营造。①水体水体由于自身热容的特殊性，会与建筑区域内其他物体形成不同的温度场，进而导致周围空气产生热压差，从而对气流产生影响。在太阳辐射强度较大的白天，由于水体热容大于石头、土壤，导致建筑及地面升温较快，在地面上方形成的密度较小的热空气，水体上方的空气向地面流动，形成水陆风。到了夜晚，水体降温速度小于建筑及地面，地面上密度较大的空气便会向水体流动。由水体形成的水陆风，不仅对建筑风环境产生了影响，还对建筑周围温度场起到了调节作用。虽然水体的存在对风环境造成不可忽视的影响，但是由于这种影响是建立在热压的作用下的，而在CFD模拟中，针对室外风环境的模拟并未考虑温度场的影响，所以目前在实践工程案例中，针对建在海岸、河岸周围的建筑项目，以及建筑区域内存在一定面积水体的项目，并未考虑在物理区域再现的过程中加入对水体的模型构造。①地形本节中，地形的影响主要指山地、坡地等非平原类地形对风环境的影响。地形对风环境的影响主要体现在两个方面。第一，主导风向与地形的关系。针对一个山地而言，常有迎风坡和背风坡之分。其中，迎风坡是指迎向主导风向的山坡，此处的风速大于背风坡，在山脊处达到峰值。这是由于气流受到截面的挤压，压力的增大造成了风速的增快。山脊由于截面面积小而导致了气流速度增大的效果，当截面面积增大时，压力减小，风速降低，这就是文丘里现象。针对背风坡，由于处于主导风向的下风向，会形成涡流区。研究表明，坡度越大风向逆转的区域越明显，如图2.6所示。第二，与水体相同，山地由于受到阳光与地形的综合影响而形成热压差，由此形成山谷风效应。其规律为，白天向阳坡受到太阳辐射的影响，温度升高，气流顺着山坡向高处移动，形成上升山谷风；夜晚，由于缺少太阳辐射导致地表降温，山坡上方的冷空气顺势下沉至山谷，形成下降山谷风。如图2.7所示。17 重庆大学硕士学位论文图2.6山地对主导风影响效果图Fig.2.6Theinfluenceofmountainforthedominatewind图2.7山谷风的日夜流动效果Fig.2.7Theflowofthevalleywindfromdaytonight针对山地建筑的风环境设计，若要加强通风效果，宜将建筑布置在迎风坡及向阳坡，以获得效果明显的热压和风压通风。若要防风，应将建筑布置在背风坡，或是设置防风林等风障，不宜设置在山脊和坡顶处。在CFD模拟中，针对处在山地、坡地上的建筑项目，不应忽略地形对风环境的影响，应当按照建筑地形最大程度的再现物理模型区域。2.1.3风环境与建筑群布局建筑群体布局根据建筑类型的不同分为多个种类。公共建筑由于类型丰富，其群体组合的形式也更加多元。从组合手法的角度分析，基本可以分为两类：一类是对称的方式，另一类是不对称的方式。对称的组合方式易于取得严肃的气氛，常见于政府办公建筑群。不对称的组合方式易于取得亲切、轻松的气氛，常见于商业建筑群。由于公共建筑群之间存在建筑与建筑的功能制约关系，其群体组合的方式多由不同建筑功能之间的关系决定。对于居住建筑，由于住宅与住宅之间一般没有功能上的联系，所以在群体组合中不存在彼此之间的关系处理问题。但是往往住宅小区以一些公关设施如幼儿园、社区商业街、物业中心，或景观点如水景、绿化广场等为布局中心，把若干居住建筑组合成区，从而形成完整的居住建筑群。居住建筑群的布局组合大体分为三类：行列式，自由式和围合式。不同的群体布局会对建筑风环境造成不同的影响，这种影响效果主要体现在风影区的大小。风影指风吹向建筑后在建筑背面产生的涡旋区在地面上的投影。风影区内由于空气流呈现漩涡状态，导致风力变弱，风向不稳定，不利于下风向18 2建筑风环境的理论研究建筑周围的空气流动。为达到加强自然通风的目的，群体布局的基本原则是使下风向建筑尽量少的受到上风向的建筑风影区的遮挡，以使建筑获得更多的穿堂风。风影区的大小与建筑形体、风向投射角度有关。一般来说，风影区的大小与建筑物高度、迎风长度成正比例关系，与建筑深度呈反比例关系。风影区越大，对下风向建筑通风越不利。如图2.8所示。此外，当风向投射角度为45°时，平行排列的多排建筑后区会形成较大的风影区，其中风向投射角度指主导风向与迎风建筑的相对夹角。如果该角度呈90°，风影区达到最大值，此时最不利于下风向建筑通风。因此在建筑群布局时，应当避免建筑长轴垂直于主导风向，一般认为入[31]射角30°或60°为好。图2.8建筑形体与风影区的关系Fig.2.8Therelationshipbetweenthearchitecturalformandthewindshadowarea常见的三种三种建筑布局方式中，并列式的特点是布局规整，当风向投射角度不同时，建筑群内部形成的空气流场分布差别很大。冬季时，主导风向与建筑呈垂直角度可以最大限度的起到防风效果。错列式和斜列式布局由于建筑之间存在相对错列角度，风可以较顺畅的通过建筑巷道，下风向建筑受风面较大，利于整个建筑区的通风效果。因此，错列式和斜列式布局通风效果由于并列式。围合式布局在建筑群内部形成封闭、半封闭空间，是一种难以让风导入的布局方式，通常鉴于寒冷地区。自由式布局是现代常见的一种建筑群体组合形式，该布局可以营造丰富的空间关系，建筑群内自成组团或围绕组团中心建筑、公共绿地、水景有规律或自由布置，整体通风系能最优。2.1.4风环境与建筑群体立面布局建筑群体立面布局的变化体现在高度错动关系的不同。通常分为三类：一是前低后高，二是前高后低，三是高低错落布置。19 重庆大学硕士学位论文当低层建筑位于高层建筑的上风向时，可以为高层建筑争取更多的迎风面，低层建筑对高层建筑上层风影响较小，但是在靠近地面的地方，气流受到低层建筑阻碍在后方形成风影区，同样会对后方建筑造成一定的影响。当上风向低层建筑密度较大、高度较高时，气流通过低层建筑后风速、风压变化较大，影响后方高层建筑底部空间人行高度的风环境。在高层建筑处于低层建筑的上风向时，若高层建筑的长轴面宽大于低层建筑，当气流经过时，运动方向会改变为3种——沿建筑壁面向上至屋顶，向下至地面，绕流至建筑后方。上风向建筑形体的大小直接影响气流运动的轨迹及风速、风压的变化情况。上风向建筑面宽越大、高度越高，建筑后方风影区面积越大，下风向低层建筑的风环境越恶劣。高低错落的组合形式较前两种而言，可以营造更加多变的风环境。由于高层建筑前后会形成对比明显的正、负压区，通过将周边建筑前后错动布置的方式，可以形成横向穿堂风，同样可以达到利于自然通风的效果。如图2.10所示。图2.9建筑立面布局与风环境的关系Fig.2.9Therelationshipbetweenbuildingfacadelayoutandwindenvironment2.2建筑风环境的评价方法在我国绿色建筑的评价体系中，室外风环境评价是一项不可忽略的控制指标。因此，建筑室外风环境研究对绿色建筑发展有着重要的意义。良好的室外风环境设计不仅可以有效避免“二次风”伤害，还可以通过控制室外风速风压促进建筑室内自然通风，从而营造优质的室内通风效果，利于建筑节能。为了获得良好的室外风环境，需要采取多种方法对风环境进行评估。但是由于影响建筑风环境的因素众多，目前国际上对风环境的评估并没有提出一个统一标准，国内外研究者根据大量实地调研、测试及风洞试验，提出以下几种评估方法。2.2.1国外建筑风环境评估方法①相对舒适度（Beaufort）评估准则20 2建筑风环境的理论研究相对舒适度是对风环境的一种定性描述，针对特定的建筑设计情况，由于空气流动导致的不舒适的程度，可根据用户所处状态（行走或静坐等）、风速大小及发生频率进行综合评估。当不舒适感发生频率被判定为过高时，这种不舒适性就被认为是无法接受的，界定该频率的方法即为“舒适性评估准则”。按照定性分析，该准则可以描述为，若大多数时间风速处于适宜区域，偶发强风频率小于界定标准，则用户整体感受可以判定为舒适。表2.1、2.2展示了相对舒适度评估准则判定方法及相对舒适度Beaufort指数[34]的定性描述。②风速概率评估准则风速概率评估准则采用定量方法，通过风速、概率两种指标综合对风环境舒适性进行评估。[35]K.Deguchi和S.Murakami研究指出，风环境舒适性额判定分为以下3步：1）通过风洞试验得出各状态下舒适性界限风速；2）根据当地气象库数据梳理出5021 重庆大学硕士学位论文年年重现期的风速、风向概率统计数据；3）将前两步中得到的指标综合起来判定是否满足不同状态下的舒适性要求。具体判定准则如表2.3所示。表2.3风速与行人舒适感的关系Table2.3Therelationshipbetweenwindvelocityandpedestriancomfort人的状态风速最大值m/s人的感觉静坐5.780%时间内不超过相应限值，且每年风速大于26.4m/s站立9.3的次数不超过3次，则判定满足静坐、站立行走的舒行走13.6适性与安全性标准[36]EmilSimiu和Robert.H.Scanlan研究提出，人的舒适度与风速＞5m/s的不舒适风频率有关，当风频小于10%时，行人不会产生抱怨情绪；当风频大于10%小于20%时，抱怨会增多；当风频大于20%时，则需要采取相应措施改善风环境。具体内容如表2.4所示。表2.4风速与行人舒适感的关系Table2.4Therelationshipbetweenwindvelocityandpedestriancomfort风速m/s人的感觉V＜5舒适5＜V＜10不舒适，行动受影响10＜V＜15很不舒适，行动受严重影响15＜V＜20不能忍受20＜V危险风速概率评估方法采用定量评价方式，针对不同风速限值风况出现的频率进行分析，通过现场测量、调查统计和风洞试验的方式进行数据统计，得出考量人行高度处风速与舒适度的关系。但是，由于研究者采取的试验方法不同，试验地点及受试者个体差异，导致研究结果出现一定程度的偏差，目前并未达到统一标准。③风速比评估法该方法认为，建筑室外风环境中人行高度处风速值随来流风速的变化而变化，因此通过现场测量、风洞试验等方法针对某一来流风速值得出的各测点试验值在实际工程中的研究意义不大。为了更好的研究实际应用中的风环境情况，引入风22 2建筑风环境的理论研究速比的概念，风速比反映了由于建筑物引起的风速变化的程度，风速比𝑅𝑅𝑖𝑖定义为：𝑅𝑅𝑖𝑖=𝑉𝑉𝑖𝑖/𝑉𝑉0（2.1）式中：𝑉𝑉𝑖𝑖——流场中i点处风速值，m/s；𝑉𝑉0——与i点同等高度处开阔区域风速值，一般采用初始风速，m/s。针对建筑物周围人行高度处风环境舒适性的评价，采用距地1.5m处风速比进行研究，则式2.1中的初始风速为建筑周围开阔区域1.5m处风速值。风速比表征了建筑物对风场的影响程度，不会受到来流风速变化的影响，可以用来简单的对风环境进行评估。2.2.2我国绿色建筑风环境评价方法根据上文中3种不同风环境评估准则，我国参考国外先进研究成果，在《绿色建筑评价标准》GB50378-2006中首次提出关于我国绿色建筑室外风环境的评价方法，经过8年的实践，在《绿色建筑评价标准》GB50378-2014中提出修改条文如下：“4.2.6场地内风环境利于室外行走、活动舒适和建筑的自然通风，评价总分值为6分，并按下列规则分别评分并累计：①在冬季典型风速和风向条件下，按下列规则分别评分并累计：1)建筑物周围人行区风速小于5m/s，且室外风速放大系数小于2，得2分；2)除迎风第一排建筑外，建筑迎风面与背风面表面风压差不大于5Pa，得1分；②过渡季、夏季典型风速和风向条件下，按下列规则分别评分并累计：1)场地内人活动区不出现涡旋或无风区，得2分；[37]2)50%以上可开启外窗室内外表面的风压差大于0.5Pa，得1分。”本条沿用自《绿色建筑评价标准》GB50378-2006第4.1.13、5.1.7条，有修改。按照条文要求，对建筑室外风环境的评价分为冬季、夏季及过渡季两种情况。在冬季主要关注防风效果，建筑室外人行区域距地1.5m处风速小于5m/s是不影响人们正常室外活动的基本要求。建筑迎风面与背风面风压差不超过5Pa可以有效减少冬季冷风渗透。夏季及过渡季主要关注风舒适性、自然通风效果及场地内污染物消散情况。场地内由于通风不畅形成的涡旋区或无风区会影响夏季及过渡季室外散热和污染物消散。而建筑室内外表面风压差大于0.5Pa有利于室内的自然通风。标准中规定，建筑室外风环境的评价方法为利用计算流体力学CFD手段对建筑室外风环境进行模拟，模拟计算报告是评价的重要依据。根据条文中要求，主23 重庆大学硕士学位论文要评价指标包括以下几项：1)冬季建筑室外人行区域距地1.5m处风速值；2)冬季建筑迎风面与背风面风压差；3)夏季及过渡季场地内风场分布；4)夏季及过渡季外窗室内外表面风压差。本研究中将针对以上几项指标进行风环境评价分析。2.3建筑风环境研究方法2.3.1现场实测现场实测是研究风环境最直接有效的方法，对已建成的建筑进行实地测试，收集可贵的风环境数据资料，对后期设计和研究工作具有重要的意义。但是，由于现场实测耗费大量人力物力，且容易受到外界因素干扰，实际操作难度大。更重要的是，现场实测是针对已建成建筑进行的，无法为建筑设计初期提供参考，因此目前的研究还无法达到对建筑物进行实测的水平。2.3.2风洞实验模拟风洞试验是研究建筑风环境中应用广泛的方法之一。风洞试验研究始于19世纪后期，最早应用于航空飞行器的研发工作，并逐渐适用于建筑、汽车而、大气环境等方面的研究。风洞试验是根据相似性原理，将被试验对象制作成模型后放置于风洞管道内，通过一系列方法使得风洞内产生人工可控制的气流，并模拟现实中气流流动状态，研究实验对象在气流作用下的相关参数，以确定试验对象的稳定性、安全性等性能。风洞试验在建筑中的应用主要包括建筑结构荷载研究、空气环境测评、步行风测量、地形和地貌研究等。目前风洞试验方法已在我国《建筑结构荷载规范》GB20009-2012中得到建议应用。风洞试验经过多年的实践，理论和技术上都比较成熟，但是它的缺点是模型制作费时费力，试验周期长，模拟还原误差不稳定，且无法针对不同建筑方案进行对比研究。因此，目前在绿色建筑室外风环境研究中应用不广泛。2.3.3数值模拟计算建筑风环境研究中的数值模拟计算主要采用计算流体力学（CFD）模拟技术。近年来，随着计算机技术的不断提高，CFD技术越来越受到重视和广泛应用，并取得了不少成果。相比于传统方法，CFD克服了风洞试验周期长、精度差、投资成本高的缺点，直接在计算机上建立数值方程，采用离散求解的方法分析流体动24 2建筑风环境的理论研究力学方程组，并将结果用计算机图形学形象直观得展示出来，在工程实践中有着非常广阔的应用前景。2.4本章小结本章中，主要就建筑风环境的形成机理、评价方法及研究方法等内容进行了概述，简单阐明了建筑风环境的关键影响因素及其在风环境模拟评价中的应用方法；分析了国内外多种风环境评价方法的原理和特点，主要研究了我国绿色建筑室外风环境的评价方法及关键分析指标，并简单对比了建筑风环境的三种研究方法，为CFD在绿色建筑风环境模拟评价中的应用研究提供了理论基础。25 重庆大学硕士学位论文26 3计算流体力学的理论研究3计算流体力学的理论研究3.1计算流体力学的概述随着计算机技术的快速发展，计算流体力学作为一种数值方法，正在逐渐走向成熟。所谓计算流体力学，就是借助计算机技术对流体与气体动力学基本方程进行数值求解的学科。随着计算风工程学的发展，计算流体力学在风工程研究中的应用备受瞩目，建筑室外风环境的数值研究便是该领域的重要内容之一。本章从将理论分析的角度对计算流体力学进行梳理。3.1.1计算流体力学的概念计算流体力学（ComputationalFluidDynamics,简称CFD）是通过计算机数值[38]计算和图像显示，对包含流体流动和热传导等相关物理现象的系统所做的分析。CFD的核心思想为：将原本在时间或空间内连续的一些列物理量，按照特定的方式离散为有限个离散点，并将这一系列离散点上的物理量建立为有关系的代数方程组，通过数值求解的方式获得连续变量的近似解。3.1.2计算流体力学的工作步骤采用CFD的方法对物体流动进行数值模拟，通常包括以下几个步骤：①建立数学模型。具体地说就是建立能够反映实际工程问题或物理问题的各变量之间的微分方程及相应的定界条件，并以此为出发点进行下一步的模拟计算。建立正确的数学模型是保证CFD计算准确性的基础。此处流体的基本控制方程包括质量、动量及能量守恒方程，以及该方程组的相关定解条件。②建立数值离散方法。针对已有的数学模型，选择合适的数值离散化方法如，如有限元法、有限差分法及有限体积法等。除此之外，还包括与数值离散相对应的贴体坐标的建立、离散网格的生成、边界条件的确定、迭代次数的选择等。此步骤是CFD数值计算的核心内容。③进行编程计算。确定了数学模型和计算模型后，需要在计算机上编制特定的程序实现计算模型所规定的计算任务，从而完成莫一项特定问题的分析。实际应用中，通常采用商用CFD软件进行数值模拟，省略了编程的步骤。④输出计算结果。在计算机中通过图像的方式显示数值模拟计算结果，这对CFD应用结果的检查和判断分析质量有着重要的意义。图3.1展示了计算立体力学的基本工作步骤。27 重庆大学硕士学位论文图3.1CFD工作流程图Fig.3.1TheprocedureofCFD3.1.3计算流体力学的特点CFD方法相比于传统的理论分析、实地测试、风洞试验等方法，具有以下优点：①克服了试验方法费时费力的缺点，仅采用计算机和CFD软件进行模拟分析，不会受到模型尺寸、流畅扰动、测量误差的影响，具有花费低、计算周期短、省时省力、适应性强、应用面广的特点。②可以通过改变模拟过程变量的方式实现各种条件下的流动计算，便于提供多方案对比分析。③可以给出流体运动区域内的离散数值解，定量给出各物理量的流动参数，详细描述各局部或总体的流场分布，任意进行流场重构和诊断分析等；28 3计算流体力学的理论研究由于CFD技术仍未发展成熟，抽象出来的数学模型通常是十分复杂的多维非线性偏微分方程组，对方程组的数值解的理论研究尚不够充分，也即是说，CFD作为一种近似离散的数学方法，仍依赖于物理模型、数学模型的合理性和适定性，其最终结果是有限个离散点上的数值解，缺少严格的稳定性分析、误差估计、收敛性和唯一性等理论验证，存在一定的误差。其次，CFD不像物理模型试验可以在一开始就给出流动现象并定性描述，往往需要与实地测试或风洞试验值进行对比，并对建立的数学模型进行准确性验证。第三，CFD技术的应用效果很大程度上依赖于操作人员对流体力学理论的掌握程度，对模拟软件的熟练程度，对CFD应用的经验与技巧。综上所述，CFD技术作为目前建筑风环境研究的重要手段，需要将上述诸多因素综合考虑并进行应用。3.1.4计算流体力学的应用领域计算流体力学的起源可以追溯至20世纪初，英国气象学家L.F.Richardson采用离散中心格式模拟空气流动，试图实现天气数值预报的梦想，虽然最后他失败40]了，但是他的尝试标识了CFD研究的开始。经过半个世纪的洗礼，到了20世纪60~70年代，CFD的发展被航空航天领域的需求不断驱动着，到了今天，CFD在该领域的应用无论在深度还是广度上都远远超过了在其他领域的应用。目前为止，CFD作为一个研究工具和设计工具，广泛应用在航空航天工程、水利工程、土木工程、环境工程、海洋工程、工业制造、汽车制造等领域。典型的应用场合及相关工程问题包括：①航空航天领域在世界CFD发展历史上，美国国家航空航天局（NAS）一直是最大的推动者，同时也是最大的受益者。美国著名的NASP计划中空气动力学研究工作70%由CFD[41]提供。目前CFD占NASA气动工作量的50%。由此可见，CFD在航空航天领域气动研究中扮演者重要的角色。②汽车制造领域CFD在汽车领域的应用适于20世纪70年代，经过40年的发展，目前已应用于机车外形设计、汽车内部空间通风空调设计、发动机内部气体流动及散热分析、冷却系统及汽车液力变矩器、涡轮叶轮等中的流动现象研究。目前主要应用的领域为：一是汽车车身外形设计，采用CFD手段模拟汽车车身周围流场分布，计算汽车车身外形及其相关空气性能；二是模拟汽车发动机气道内的流场分布，以获得气道内压力、流速等参数的分布规律，为汽车进排气道的设计提供数据支撑；29 重庆大学硕士学位论文[42]三是在汽车液力变矩器上的应用。③油气运输工程领域[43]油气运输指石油、天然气及其他油气产品的存储于运输。流体力学问题是油气运输工程中的关键问题。目前CFD在油气运输工程中主要应用在以下几个方面：一是采用CFD对成品油在管道顺序输送上进行模拟，模拟成品油的混有问题及确定安全停输时间等实际问题；二是采用CFD模拟油气输送管道运行中的安全问题，主要针对常遇到的腐蚀、泄露、爆炸等问题，通过CFD将相应问题进行仿真模拟，从而把损失程度降至最小；三是利用CFD研究油罐的泄露、爆炸和罐内油温降温等问题，为油罐的安全设计、运行管理提供分析依据。④船舶与海洋工程领域CFD在船舶海洋工程中的应用始于20世纪70年代，主要研究对象包括船体和螺旋桨结构，具体模拟内容包括：1）舰船粘性流CFD研究，主要研究水面舰船尾部流场变化情况；2）实船尾流场和水动力性能预报研究；3）船体与螺旋桨相左作用的流场数值分析；4）潜艇CFD研究，包括潜艇周围流场和尾流场研究；[44]鱼雷泵喷射推进器研究等。⑤制冷工程领域CFD在制冷工程中的应用主要集中在：1）研究冷藏柜风幕的空气流动分布，对柜内空气流场和传热机理进行研究；2）研究家用冰箱柜内温度场分布及冷空气流动；[45]3）模拟冷冻食品温度分布，用于研究冷冻食品时间及冷却技术。总体来说，CFD在制冷工程中的应用主要集中在对温度、冷空气流速的研究上，研究对象主要为小型冷冻、冷藏设备。⑥化学工程领域CFD在化学领域中对流体的研究主要集中在：1）模拟化学搅拌中的搅拌槽内部流场分布，研究化学搅拌效果；2）在化学工程换热器中的应用，模拟换热器内部流场流动，用于预测换热器性能，提高其经济可靠性；3）模拟化学反应中反应器内部物质浓度梯度及温度梯度变化，用于研究化学反应中的聚合过程。⑦建筑工程领域CFD在建筑领域中应用广泛，近年来，随着建筑行业对建筑质量性能要求的提升，CFD作为一种有效的预测研究手段，常应用于对建筑室内外空气流场的模拟研究，建筑物内火灾扩散流场研究，室内暖通空调空气流场及温度场研究，建筑区域污染物消散研究等。其中，CFD在建筑室外人行区域空气流场研究是重点内容之一。30 3计算流体力学的理论研究3.2计算流体力学的解析方法3.2.1离散化方法“离散化”（Discretization）一词源于“离散的”（Discrete），是数值分析学中特有的概念。离散化的过程可以描述为，将一个封闭的数学方程组，例如一个函数或包含函数的微分或积分方程组，用计算域内有限个离散点或一定控制体积内取值的类似表达式来近似求解。在对指定模型进行CFD数值求解之前，需要将求解域内的控制方程离散化，即将空间或时间上连续的区域进行划分，把划分的多个子区域网格化后，将控制方程在网格节点处离散，即将偏微分方程组转化为各个节点上的代数方程组进行求解。对于稳态问题，仅需对空间进行离散；对于瞬态问题，则需要对空间及时间两个维度进行离散。对于在求解域中建立的偏微分方程组，理论上可以求出解析解。但是由于所处理问题自身的复杂性，例如复杂的边界条件，复杂的方程组变量，导致很难获得方程组的真解。离散化方法的目的就是通过对求解域内控制方程的离散，近似求解出网格节点上的节点值，将节点周围的值看做节点的近似解，与节点值之间是平滑变化关系，由此得到整个求解域内的离散分布近似解，以此代替定解问题精确解的连续数据。不难看出，当网格划分足够密时，离散方程解将无限趋近于相应微分方程的精确解。根据网格分布假设及推导离散方程方法的不同，可以将离散化方法分为有限差分法、有限元法和有限体积法。三种方法的数学本质及表达是相同的，只是物理含义有所区别，有限差分法基于微分的思想，有限元法基于极值原理和划分插值的思想，有限体积法基于物理守恒原理。其中有限差分法是数值计算中最经典、理论最成熟的数值方法。有限体积法是目前在CFD商用软件中应用最广泛的方法。①有限差分法有限差分法（FiniteDifferenceMethod，简称FDM）是将求解域划分为有限的网格，在网格节点建立一系列有限变量的代数方程组，形成差分方程组，用差分方程组的解作为微分方程组的数值近似解。FDM是一种直接将微分问题变为代数问题的近似数值解法。有限差分法较多用于求解双曲型和抛物型问题。②有限元法有限元法（FiniteElementMethod，简称FEM）是将求解域划分为有限个微小单元，在每个微小单元中构造插值函数，利用极值原理将原本的控制方程组变为有限单元上的有限元方程，用各单元极值之和代替总体的极值，形成嵌入了指定边界条件的代数方程组，通过求解该方程组得到各有限元节点上待求的函数值。31 重庆大学硕士学位论文有限元法由于受到求解时间长的限值，较少应用于商用CFD软件中。由于其具有广泛的适用性，尤其合适物理条件复杂的问题，因此较多的应用于固体力学分析软件中。①有限体积法有限体积法（FiniteVolumeMethod）又称控制体积法（ControlVolumeMethod，简称CVM）的基本思路是：将求解域划分成具有一定控制体积的有限个网格，各网格间的控制体积不重复，将计算域中的控制方程对每一个控制体积积分，从而得到一组关于网格的离散方程组。其中，方程组的未知量看作是网格体积内的平均值φ，为了得到φ值，需要假定其在网格节点之间的变化规律。有限体积法的原理基于加权余量法中的子域法以及局部近似规律的离散法。对比以上三种离散化方法可以看出，有限体积法是有限差分法和有限元法的中间产物。它具备有限差分法仅关注网格节点值求解的特点，同时在建立控制体积内离散方程组时又考虑到网格节点之间的变化规律，类似于有限元法采用插值原理的特点。由于有限元法常用于固体力学分析，此处仅对有限差分法和有限体积法进行对比，两者的主要区别是：有限差分法求得的是网格节点上的物理量，有限体积法则是对网格控制体积内平局值的求解。相比之下，当网格尺度有限时，有限体积法由于其具有守恒性的特点，可以比有限差分法更好的保证对守恒方程组的满足，尤其是针对一维或轴对称流动，其守恒性更容易实现。有限体积法的缺点是对于多维问题，尤其是高精度（高于二阶）的问题较难构造和实施，而有限差分法则更容易推广到高阶精度。3.2.2差分格式CFD计算中，将计算域中控制方程离散化以后，需要采用差分方法建立离散方程组，差分格式又称离散格式，不同的差分格式对代数方程组的求解结果不同。下表中列出了常见差分格式的特点，根据表中内容可以看出，差分格式的稳定性与高精度是不能兼得的，而且往往是互相矛盾的。高精度的差分格式，如QUICK格式，都不是无条件稳定的，而一阶迎风格式存在相对严重的假扩散现象，同时却是无条件稳定的。因此，在满足稳定性条件范围内，高截差格式的准确度较高，当采用低阶截差时，应当注意使计算网格足够密，以减少假扩散现象。32 3计算流体力学的理论研究3.2.3湍流模型湍流是自然界中常见的流动现象，实际工程中大多数流动往往处于湍流模式，但是由于湍流流动自身的复杂性，尤其是湍流在空间上的尺度多重性和时间上的高频脉动性，使得湍流模式的研究一直进展缓慢，同时也受到研究者的高度重视。本文中不涉及湍流的基本发生机理，主要从应用的观点介绍常见的湍流模型及其特点，具体包括直接数值模拟（DNS）方法和非直接数值模拟方法，其中，非直接数值模拟方法中常用的是大涡模拟(LES)方法和雷诺平均N-S方程法（RANS）。DNS法是采用直接对湍流方程诺进行计算，无需对湍流流动做出任何简化或[46]近似，理论上可以求得相对准确地计算结果。但是正是由于DNS法的无简化特点，导致DNS对计算机计算能力、内存空间及计算速度的要求非常高，目前还无法应用于实际工程项目计算，仍处于探索研究阶段。LES法的基本思想是忽略对小尺度涡的直接模拟，只将比网格尺度大的湍流运动通过湍流方程直接计算出来，对小尺度涡则采用建立模型的方式进行模拟。虽然LES发忽略了小尺度涡，但是对计算机内存及CPU速度的要求仍较高，目前LES法常用于工作站和高档PC机，FLUENT等商用软件也可以提供LES模块共用户选择。[47]实际工程计算中应用最广泛的是RANS法，RANS法的核心是求解时均化的N-S方程，首先把满足动力学方程的湍流瞬时运动分解为平均运动和脉动运动，然后用雷诺应力项来模化脉动运动对平均运动的影响，通过对雷诺应力做出各种假设，从而使湍流的时均化雷诺方程组封闭。33 重庆大学硕士学位论文根据对模式处理的方式不同，可以把湍流模型分为两类：一类成为Reynoldss应力模型，一种为涡粘模型。雷诺应力模型的特点是可以较好的反映Reynolds应力随时间和空间的变化规律，进而准确地反映湍流规律，但是缺点是在解决实际工程问题时工作量过大，不利于广泛推广。相比之下，涡粘模型在工程实践中应用广泛，在涡粘模型中，不采用直接处理雷诺应力项的方法，引入涡粘系数μt，用μt的函数表示湍流应力项。整个模型的关键在于确定μ的取值。根据确定μt的微分方程的数目，涡粘模型可分为：零方程模型，一方程模型和两方程模型。其中，应用最广泛的是两方程模型，最基本的两方程模型是标准k-ε模型，即分别引入湍动能k和耗散率ε的方程来表示μt，，其通用表达式为：∂(ρφ)+div(ρUφ)=div(Γφgradφ)+S∂t（3.1）该式中的φ可以是速度、湍流动能、湍流耗散率以及温度等。针对不同的方程，其具体表现形式如下表所示。表3.2标准k-ε模型中的变量形式Table3.2Thevariableformsofstandardk-epsilon名称变量ΓφSφ连续性100方程∂P∂∂u∂∂v∂∂wx速度uµeff=µ+µt−+µeff+µeff+µeff∂x∂x∂x∂y∂x∂z∂x∂P∂∂u∂∂v∂∂w−+µ+µ+µy速度vµeff=µ+µt∂y∂xeff∂y∂yeff∂y∂zeff∂y∂P∂∂u∂∂v∂∂wz速度wµeff=µ+µt−+µeff+µeff+µeff−ρg∂z∂x∂z∂y∂z∂z∂z湍流G+G−ρεkαkµeffkB动能2湍流εεεαεµeffC1ε(Gk+C3εGB)−C2ερ−Rε耗散kkµµt温度T+STPrσT34 3计算流体力学的理论研究表3.2中，各常数所代表的物理意义及表达式如下：2G=µS，是由于平均速递梯度引起的湍动能k的产生项；kt1∂uj∂uiS=2SS，S=+，是用户定义的原项；ijijij2∂x∂xijµ∂TtG=βg，是由于浮力引起的湍动能k的产生项；BTσ∂yT2kµ=ρC，是用湍动能k和耗散率ε表达的μt；tµεvCµ=.00845，C1ε=.142，C2ε=.168，C3ε=tanh，是经验模型常22u+w数；σT=.085，σC=7.0，分别是湍动能k和耗散率ε对应的Prandtl数。标准k-ε模型方程式针对湍流发展非常充分的湍流流动建立的，是一种能针对高雷诺数的湍流计算模型。当雷诺数较低时，或是研究强旋流、弯曲壁面流动时，需要采用改进后的k-ε模型，如低雷诺数k-ε模型，RNGk-ε模型，k-ω两方程模型等。表3.3列出了常用两方程模型的应用范围及特点。表3.3两方程模型的应用范围及特点Table3.3Thecharacteristicandapplicationoftwoequationmodel两方程模型适用性准确性与经济性对较小压力梯度下的自由剪切流具有较好的求解结果；标准k-ε模型高Re数湍流模型对大的逆压梯度流动求解结果与实验结果差别较大。计算量小低雷诺数k-ε模型低Re数湍流模型对近壁面流动及低Re数流动具有较好的求解结果对高应变率及流线弯曲程度较大的流动具有较好的求解RNGk-ε模型高Re数湍流模型结果，计算量大对旋转均匀剪切流及带有分离的流动具有较好的求解结Realizablek-ε模型高Re数湍流模型果，计算量大对近壁面流动及比较缓的逆压梯度流动具有较好的求解k-ω两方程模型高Re数湍流模型结果在近壁处采用k-ω两方程模型，在自由剪切层采用k-εMenterSST两方程模型高Re数湍流模型模型，具有两种模型的特点35 重庆大学硕士学位论文3.2.4网格生成前文中提到的差分格式是要在离散网格点上进行计算的，这些离散网格点在整个流场中的分布就叫做网格。在给定的计算区域内定义合适的网格的过程就叫做“网格生成”。计算网格是CFD模拟与分析的载体，是目标模拟区域的几何表达形式。高质量的计算网格是CFD计算准确性的前提条件。NASA早在1992年就针对网格生成技术成立了一个专门的研究委员会——NASASteeringCommitteeforSurfaceModelingandGridGeneration。我国也在1997年召开了第一届计算网格生成方法研讨会。由此可见，网格生成技术一直受到研究者的重视，到目前为止，即便是在CFD应用技术发达国家，网格生成仍占整个CFD的计算任务全部人力时间的60~80%，因此，如何简化网格生成、提高网格对复杂构型的适应能力与准确性是亟待解决的重要问题。按照网格点之间的邻接关系，可以将网格类型分为结构网格、非结构网格和混合网格。下面对其一一进行分析。①结构网格结构网格的相邻网格点之间是有序相连的，除了边界点之外，内部网格点都有相同的邻接网格数。常见的结构网格包括二维的四边形，三维的六面体。结构网格的优点是计算精度高、效率高，计算稳定度好，对计算机内区要求小，适合工程实践使用，同时也是目前发展最成熟的网格生成技术。由于结构网格的有序性，使得自同样的物理空间，需要的结构网格数目比非结构网格要少。同时在粘性区域可以生成长宽比很大的粘性网格，保证了计算精度。结构网格的缺点是几何构型能力有限，对于复杂的几何构型，需要耗费更多的工作量进行网格生成工作，有时甚至会带来模拟误差。为了克服结构网格的缺点，常采用多块嵌套网格和多块搭接网格。这两种网格生成方式解决了复杂几何边界的流动问题。网格嵌套技术是将复杂外形的各部件分别生成计算网格，从而在计算域内形成多块网格区，不同的网格之间出现一定的重叠区。在进行模拟计算时，各网格块之间的流场信息通过重叠区内的插值计算进行交换，网格嵌套技术的优点是网格生成简单，各局部单独形成网格，当部分改变时不用再全部重新生成网格，同时有效克服了结构网格几何构型困难的问题。②非结构网格非结构网格的相邻网格点之间是无序相连的，每个网格点都有不同的邻接网格数。非结构网格的单元包括二维的三角形、四边形，三维的四面体、六面体、36 3计算流体力学的理论研究三棱柱和金字塔等多种形状。非结构网格最突出的优点是几乎无所不能的几何适应能力。由于三角形和四面体作为非结构网格的基本单元，同样是二维和三维中的最简单形体，因此非结构网格可以充满任意几何区域。同时，它可以通过流场中的大梯度区域自适应来提高对间断的分辨率。非结构网格的组合随机性使得计算更加直接和快速，无序的节点和网格单元相对于结构网格具有更好的可控性，因而可以更好的适应不同的边界条件，提高求解准确性。非结构网格的缺点是无序的网格构造使得在同等网格数量情况下，计算机内存空间的分配和CPU时间的开销比结构网格要大很多；而对于同样计算区域的离散，非结构网格的数量也要大于结构网格，通常是2倍左右，因此对实际应用是一个巨大的挑战。尤其是针对高雷诺数流动问题，由于非结构网格在粘性区域内不能生产长宽比较大的网格，这就导致必须在粘性区内生产足够密的网格才能保证计算结果的准确性，这样的做法就带来了更大的工作量，同时也会导致计算精度和稳定性的下降。③混合网格混合网格结合了结构网格和非结构网格的优点，是改良后的网格生成技术。混合网格技术起源于20世纪90年代，常用的混合网格方法为非结构混合网格和结构/非结构混合网格两种。非结构混合网格的基本思路是在粘性区域采用三棱柱单元和金字塔单元，在其他流场区域则采用四面体网格。这种网格技术利用了三棱柱和金字塔网格的高拉伸特性，结合两种不同的非结构网格单元达到结构网格的粘性模拟能力，相比于传统非结构网格技术，具有更高的网格适应性和粘性区域模拟精度。结构/非结构混合网格是在物体的粘性区域内采用结构网格，在其他区域采用非结构网格的混合网格技术。这种网格技术充分利用了结构网格的高精度、高效率特点，同时兼备了非结构网格灵活的几何适应性。目前常应用于各种复杂的机械制造构型模拟。3.2.5边界条件对于给定的控制方程及湍流模型，只有选择适合特定物理问题的边界条件，并将该边界条件施加在计算网格上，才能得出特定形式的数值解。所谓边界条件，是指在计算域的边界上所求解变量随地点及时间的变化规律。边界条件是CFD求解的必要条件，基本边界条件包括：流动进口边界，流动出口边界，给定压力边界，壁面边界，对称边界，周期性边界。37 重庆大学硕士学位论文流动出口（进口）边界条件是指在求解域几何出口（进口）上给定流动参数，包括速度、压力等。流动出口边界和流动进口边界是联合使用的，同时也是最基础的两种边界条件。壁面边界引入壁面函数的概念，针对湍流在近壁面的计算，尤其需要注意壁面边界的使用。在确定边界条件时，需要注意将边界条件转化到离散方程中，对于湍流计算，要注意区分近壁面流动所处的不同流层，同时注意所给出的边界条件的适定性。3.3常用CFD商业软件介绍CFD是数值计算和流体力学的综合学科，CFD研究的最终应用产物是CFD软件，而CFD应用的最终目的是通过CFD软件进行流体力学或流体工程的计算。经过长期的发展，目前国内外已经出现了一些商业CFD软件，例如Phoenics、Fluent、Airpak、Star-CD/CCM+、CFX等。表3.4中列出了几种常见风环境CFD商用软件的对比分析。从表中可以看出，针对风环境模拟评价，Phoenics和Airpak具有较高的性价比，同时网格生成能力强，计算效率高，对用户的专业要求不高，适用于实际工程实践。38 3计算流体力学的理论研究表3.4常见CFD软件应用特点Table3.4ThecharacteristicsofcommonCFDsoftwareapplications参数PheonicsAirpakFluentStar-CD/CCM+WindPerfectDXFluent软件群中面向暖通性价比较高的CFD商用软首个采用完全非结构化网格生面向建筑规划等领域空调、建筑等领域的人工广泛流行的商用CFD软件包，件，特有的FLAIR模块适用成技术的CFD商用软件包，能具有多种性能的三维环境系统分析软件，可以适用于所有流体、热传递和化学应用范围于建筑规划与暖通领域，广够对不部分典型物理现象进行热流体解析软件，常用精确模拟研究对象内的反应模拟，具有多种物理模型，泛适用于流体与传热问题模建模分析，常用于工业领域中的于室内外通风联合解空气流动、传热和污染等适用范围广拟复杂流体分析析、城市热点模拟计算物零方程模型，各类k-ε零方程模型，各类k-ε模型零方程模型，各类k-ε模各种CFD行业常见数学模型，各种CFD行业常见数学模型，湍流模型模型，LES模型，DNS等型等选择性大，永和专业之选要求高选择性大，永和专业之选要求高模型等SIMPLEC,SMART格式，压力矫正法，QUICK格差分格式压力矫正法，QUICK格式压力矫正法，QUICK格式压力矫正法，QUICK格式QUICK格式式离散格式有限体积法有限体积法有限体积法有限体积法有限体积法需专业网格生成软件的配合，支自带网格生成模块，网格生成能自带网格生成模块，特有可自带网格生成模块，大多持多种网格单元（四面体、结构力强大，支持多种网格单元（四自带网格生成模块，采网格生成调的多块嵌套结构网格，常采用可调的结构网格，常化网格、多面体网格、滑移网格面体、结构化网格、多面体网格、用可调的结构网格用六面体网格用六面体网格等）滑移网格等）需精确计算和调节，需要较高的需精确计算和调节，需要较高的网格局部用户可针对对象和模型自主用户可针对对象和模型自动根据风环境特征专业知识和丰富的项目经验，较专业知识和丰富的项目经验，较加密调整网格属性自主调整网格属性生成合适的网格费时费时支持多种计算，可实现并行支持各种热流体计算，可实现并支持常见热流体计算，计算能力提供常见热流体计算支持多种计算，可实现并行计算计算行计算可实现并行计算39 重庆大学硕士学位论文3.4建筑室外风环境CFD模拟的规范分析本章首先对目前国内外已有的建筑室外风环境CFD模拟相关规范进行梳理，对比不同国家、研究机构对CFD相关技术关键点的模拟要求。目前国内外关于CFD在建筑风环境应用的中指导规范主要包括下表中的几种，本节内容将以此为基础进行梳理对比，为后文中实际工程项目应用效果及现状分析提供标准基础。[38]表3.5常见CFD应用规范Table3.5SeveralcommonCFDapplicationspecifications研究机构应用范围出版时间德国工程师协会建筑物周围风环境的评价与验证2005VDI欧洲科技研究领域合作组织COST732城市内建筑室外风环境评价与验证2007日本建筑风工程研究组织AIJ建筑周围人行区域风环境模拟与评价2008北京勘察设计与测绘管理办公室北京市绿色建筑室外风环境设计2012江苏住房与城乡建设厅江苏省绿色建筑室外风环境设计2014重庆城乡建设管理委员会重庆市绿色建筑室外风环境设计2015国外有很多关于CFD在建筑室外风环境应用中的指导规范，其中应用最广泛、认可度最高的是德国VDI、欧洲COST以及日本AIJ组织，国内关于CFD在建筑室外建筑风环境中的应用指导多见于各研究学者的出版论文，但是各学者的结论并不统一，目前相对形成体系并被广泛应用的是各省市的《绿色建筑设计标准》中关于室外风环境模拟的指导要求，其中以北京市《绿色建筑设计标准》DB11938-2012，江苏省《绿色建筑设计标准》DGJ32/J173-2014，重庆市《绿色建筑设计标准》（报批稿）为主。3.4.1物理模型简化通常情况下，建筑外形对建筑周围风场分布有着重要的影响。此外，建筑周围区域地形地貌的情况也会对风环境造成明显的影响，例如植被分布、山地高差、下垫面种类（地面、草地、沙地等）等。因此，准确地物理模型再现是保证CFD模拟结果准确性的重要技术点。单栋建筑物理模型再现的逼真度取决于该建筑与目标模拟区域的位置关系，当该建筑远离目标模拟区域时，可以当做理想物块进行简化。关于物理模型简化，各研究机构要求基本一致，均要求在目标模拟区域内以最大的细节要求再现物理模型。这样的要求明显会增加计算区域内的网格数，当40 3计算流体力学的理论研究计算机能力有限是，过大的网格数会对模拟结果造成限值。因此，德国VDI要求，当建筑外形细节或周边地貌、植被、地形等内容不确定时，需要对不同物理模型再现结果进行敏感性对比验证。对于所有的变量元素而言，至少需要进行两组不[48]同的模拟对比。3.4.2计算区域计算区域的大小取决于目标再现区域的尺寸以及边界条件的选择。根据风洞试验结果显示，通常对于高度为Hn的建筑物来说，保证风环境不因计算区域尺寸受限而发生改变的推荐半径为6~10Hn。同时，不同的研究机构对计算区域的要求也不尽相同。[49]欧洲COST732要求，针对高度方向的计算区域大小，对于单栋建筑或多栋建筑群，建筑顶部到计算区域顶部的距离至少为5Hmax（Hmax单栋建筑高度或建筑群中最高建筑高度）；针对横向计算区域的大小，单栋建筑到横向计算区域边界的距离应不小于5H，相比之下，多栋建筑群边界到横向计算区域边界的距离可以适当缩小；针对来流风向，单栋建筑的距离为5H~8H，针对下风向而言，则需要增加至15H，同样的，多栋建筑群可以适当减小该距离。德国VDI针对计算区域的选择提出了阻塞率的概念，阻塞率定义为来流方向的建筑投影面积与计算区域自由截面积之比。针对高度方向上的计算区域，在较小阻塞率下，单栋建筑的建议距离为4H，较大阻塞率时建议距离为10H。值得注意的是，根据风洞试验结果，此处“较大阻塞率”定义为10%，“较小阻塞率”为3%。针对横向计算区域，阻塞率为3%时，单栋建筑的距离为2.3H；阻塞率为1.5%时，单栋建筑的距离增大至5H。针对来流风向的计算区域大小，小阻塞率单栋建筑的建议距离为2H，阻塞率大于10%时则增加为8H。针对下风向而言，同样为15H，与COST的要求一致。日本AIJ则认为，根据风洞试验结果，阻塞率大小应该在3%左右。针对高度方向和横向计算区域，目标模拟建筑与计算边界的距离为5H，入流边界与建筑边界的距离应当与风洞试验保持一致，而出流边界的距离应不小于10H。重庆市《绿色建筑设计标准》（报批稿）中对计算区域的要求为：以模型边界为基准水平向外扩大计算区域，要求来风方向不小于5H，下风向不小于6H，其他方向不小于4H。计算区域高度不小于4H。H为分析模型整体高度（含地形）。北京市《绿色建筑设计标准》DB11938-2012和江苏省《绿色建筑设计标准》DGJ32/J173-2014中对计算区域的要求相同：建筑覆盖区域小于整个计算区域面积3%，以目标建筑为中心，半径5H范围为水平计算区域，建筑上方计算区域要大于3H，其中H为建筑主体高度。对比以上多个研究机构或标准规范中对计算区域大小的要求可以看出，欧洲COST对计算区域大小的选取要求较为保守，德国VDI则根据阻塞率的不同更加41 重庆大学硕士学位论文详细的规定了多种情况下计算区域的选择方法，日本AIJ的分类方式较为单一，相比之下，国内标准中的要求更加利于工程应用，计算区域的选取范围较小。3.4.3差分格式欧洲COST提出，一阶迎风格式不适用于空气流动模拟最终结果的输出。一阶迎风格式可以用于初步模拟迭代试算，但是最终输出结果应当基于更高精度的离散化格式，尤其是针对城市区域的污染物消散问题，采用一阶迎风格式会导致最终结果出现发散现象。同样的，日本AIJ及国内相关标准均提出了类似的要求，即避免采用一阶差分格式进行风环境模拟计算。3.4.4湍流模型欧洲COST提出，标准k-ε模型不适用于解决风工程问题，建议采用改进的k-ε模型进行代替计算。同样的，日本AIJ也提出，由于标准k-ε模型不适用于模拟建筑屋顶处的强旋流动，因此不适用于高层建筑周围的风环境模拟。但是，标准k-ε模型可以保证建筑周围近地面风环境的模拟精确度，对于只关注此类型的工程案例可以使用标准k-ε模型。重庆市《绿色建筑设计标准》（报批稿）提出，湍流模型建议采用基于雷诺时间平均方程的k-ε模型或者SSTk-ω模型。北京市《绿色建筑设计标准》DB11938-2012要求在计算精度不高且只关注1.5m高度的流场分布时，可采用标准k-ε模型，计算建筑物表面风压系数或高精度要求时，应采用各向异性湍流模型，如Durbin模型或MMK模型等。3.4.5网格生成欧洲COST提出，网格生成技术的准则是即不因网格过疏而引入计算误差，又不因网格过密而加大工作量。网格数量应当足以描述主要模拟区域内的空气流动。理想的网分布应当是等间距的，但是由于关键模拟区域的存在，为了生成高质量网格，等间距设置法必然导致网格量增大，不利于工程实践。因此，COST提出网格拉伸比概念，要求在高梯度区域采用小网格拉伸比，以保证截断误差足够小不影响模拟准确性。两个相邻网格单元之间的膨胀率应当低于1.3。对于关键模拟区域，单位建筑体积至少要生成10个网格且每单位建筑间隔要生成10个网格来模拟空气流动，这种设置方法可以看做是初始的最小网格分辨率。日本AIJ规定，在大速度梯度区域，相邻网格之间的拉伸比不应大于1.3，最小网格分辨率应为建筑规模的1/10（大概0.5~5.0m），且每个维度的细网格数量至少为粗网格数量的1.5倍。同时，AIJ要求建筑的人行区域（1.5~2.0m）应当处于地面以上第3或第4个网格。重庆市《绿色建筑设计标准》（报批稿）中要求，建筑的每一边人行区1.5m高度应划分10个网格或以上；重点观测区域要在地面以上第3个网格和更高的网42 3计算流体力学的理论研究格以内。建筑周围及重点考察区域网格应进行加密处理。北京市及江苏省的《绿色建筑设计标准》中提出了类似的要求，此处不再赘述。可以看出，我国关于网格设置的要求基本参照日本AIJ的方法。3.4.6边界条件边界条件的设置体现了目标模拟区域周围建筑对模拟结果的影响。边界条件在很大程度上决定了模拟结果的准确性，因此选择合适的边界条件是CFD应用中关键的一步。建筑风环境的边界条件主要包括进出口边界、顶部边界、侧边界及壁面边界等。①进口边界欧洲COST要求，在计算区域来流方向距离大于5Hmax时，进口边界可以设置为平衡边界层，且平均风速可以看做是受到相应粗糙度为Z0的地形影响而呈对数曲线关系，或是取自风洞试验结果。在实际应用中，亦可采用附近气象站提供的基准高度处风速。日本AIJ要求，进口边界来流风剖面速度可以用指数定律的表达式表示：𝑍𝑍𝛼𝛼𝑈𝑈(𝑍𝑍)=𝑈𝑈𝑆𝑆()(3.2)𝑍𝑍𝑆𝑆式中：𝑈𝑈𝑆𝑆—参考高度𝑍𝑍𝑆𝑆处的平均风速，m/s；𝛼𝛼—地面粗糙度指数；北京市、重庆市及江苏省《绿色建筑设计标准》中参考日本AIJ的研究成果，同样采用式3.2作为进口边界来流梯度风表达式，其中地面粗糙度𝛼𝛼可参考《建筑结构载荷规定》GB50009-2012（表3.6所示）[38]表3.6不同类型地表面下的𝛼𝛼Table3.6The𝛼𝛼ofthesurfaceunderdifferenttype地面类型适用区域地面粗糙度𝛼𝛼梯度风高度A近海地区，湖岸，沙漠地区0.12300mB田野，丘陵及中小城市，大城市郊区0.15350mC建筑密集的大城市区0.22450mD密集建筑群且房屋较高的城市区0.30550m②出口边界欧洲COST要求，障碍物背后出口边界设置为充分发展的自由出流状态，通43 重庆大学硕士学位论文常认为出流边界条件下的所有变量的导数为零。日本AIJ采用同样的出口边界要求，设置出口边界的变量梯度为零，且要求出口边界距离障碍物的距离要足够大以保证不会对流场产生影响。我国相关《绿色建筑设计标准》中并未对出口边界提出具体要求。由此可以看出，在出口边界的设置问题中，各研究机构的要求保持一致，针对建筑室外风环境模拟的出口边界通常设置为已充分发展的自由出流，认为流动已恢复为无建筑物阻碍时的正常流动，将出口边界处压力设置为大气压。③顶部边界及侧向边界欧洲COST提出，顶部边界的设置对维持平衡边界层稳定分布具有重要意义。由于顶部边界通常受到边界层恒定剪切应力的影响，所以通常认为顶部边界空气流动不受建筑物的影响，设置为自由滑移界面，同时沿整个顶部边界指定入流速度和湍流参数。同时，在商用CFD软件中通常采用对称边界作为平行入流情况的侧向边界条件。当入流风向不确定时，则采用前文所述的进口及出口边界进行分别设置。采用对称边界条件时，需要注意将侧向计算区域的距离保证足够大以保证空气流动不会受到影响而出现人为加速现象。在对称边界条件下，平行流的法向速度分量设置为零，且其他所有变量的导数为零。日本AIJ则要求顶部与侧向边界在计算区域足够大的情况下设置为非黏壁状态，即将边界处空气速度分量和切向速度梯度均设置为零。我国相关《绿色建筑设计标准》中并未对顶部及侧向边界提出具体要求。④壁面边界欧洲COST提出，在设置速度分量时，固体壁面通常当做无滑移界面处理。对于RANS湍流模型和LES模型需要采用两种不同的壁面边界设置方法。由于低雷诺数k-ε模型可以用来解决粘性边界层问题，因此对于仅适用于与壁面有一定距离的湍流区域的标准k-ε模型来说，为了处理固体壁面附近的粘性流层，必须对标准k-ε模型进行修正。为了减少计算区域的网格数进而减轻模拟工作量，COST提出采用壁面函数代替计算壁面剪切应力的方法。对于粗糙壁面，可采用与光滑壁面类似的处理方法，同时需要考虑粗糙度对壁面的影响。日本AIJ要求，设置壁面边界之前需要先对不包含建筑物的简单边界层流动进行试算。随着流动发展至计算区域下游，观察垂直剖面的风速在地貌的变化情况，并以此为基础设置速度剖面逐渐变化的边界条件。重庆市《绿色建筑设计标准》（报批稿）中对壁面边界提出了较为详细的要求，对于未考虑粗糙度的情况，采用指数关系式修正粗糙度带来的影响；对于实际建筑的几何再现，应采用适应实际地面条件的边界条件；特别是针对城市较高密度44 3计算流体力学的理论研究建筑区域内需考虑地面周边建筑和其他粗糙物带来的影响，设定合适的地面粗糙度。对于光滑壁面应采用对数定律。北京市及江苏省的《绿色建筑设计标准》中提出了类似的要求，此处不再赘述。3.4.7收敛判定欧洲COST提出，工业领域中迭代收敛的判定准则为0.001，对于非工业领域的应用来说这个要求值相对较高。对于建筑周围风环境模拟的收敛判定，可将迭-4-12代残差减少至10（一般认为当迭代残差数量级为10时，所得求解看做精确解）。此外，除了观测残差变化外，还需要对目标变量进行检测，当变量值恒定或在某个数值周围小范围震荡时，可以判定求解是收敛的。重庆市《绿色建筑设计标准》（报批稿）中要求计算应在求解充分收敛的情况下停止，即确定连续性方程或者指定观察点均方根残差小于0.01%。北京市《绿色建筑设计标准》DB11938-2012中对收敛判定的要求是指定观察点或区域的值不再-4变化，或均方根残差小于10。本节中提出了6个技术点的指导要求，为了更加直观的展示不同研究机构及标准规范对CFD应用的区别，笔者将主要内容梳理成表格形式，如表3.7所示。45 重庆大学硕士学位论文表3.7CFD在风环境模拟中的应用规范对比Table3.7ThecomparisonbetweendifferentapplicationsofCFDinthewindenvironmentalsimulation研究机物理模差分构标准计算区域湍流模型网格生成边界条件收敛判定型简化格式规范单栋建筑：进口：平衡边界层，风速采取与顶部及侧向5H；来流风①两个相邻网格单元之地面粗糙度相关的梯度风向≥5H；欧洲间的膨胀率＜1.3出口：自由出流状态出流风向≥15Hk-ε模型COST②单位建筑体积内网格顶部及侧边：自由滑移界面，对多栋建筑：数≥10称设置在目标以单栋建筑为参考，可壁面：采用壁面函数修正模拟区适当缩小避免域内以单栋建筑：采用①迭代残差小于0.01%最大的小阻塞率（3%）——顶一阶②目标变量的值恒定或变化不细节要部≥4H，侧向≥2.3H；来差分进口：风速采取与地面粗糙度相明显求再现流风向≥2H；出流风向格式①两个相邻网格单元之关的梯度风物理模≥15H德国间的膨胀率＜1.3出口：自由出流状态型大阻塞率（10%）——k-ε模型VDI②单位建筑体积内网格顶部及侧边：自由滑移界面，对顶部≥10H；来流风≥8H；数≥10称设置出流风向≥15H壁面：采用壁面函数修正多栋建筑：以单栋建筑为参考，可适当缩小46 3计算流体力学的理论研究研究机物理模差分构标准计算区域湍流模型网格生成边界条件收敛判定型简化格式规范①两个相邻网格单元之间的膨胀率≤1.3进口：符合指数定律的来流风阻塞率3%，顶部及侧向②最小网格分辨率=建筑日本出口：自由出流状态5H，来流方向与风洞试k-ε模型规模的1/10AIJ顶部及侧边：非黏壁状态验一致，出流方向≥10H③建筑周围人行区域壁面：采用试算方法（1.5~2.0m）应当处于地面以上第3或第4个网格①建筑的人行区域（1.5m）高度划分网格数k-ε模型顶部及侧向≥4H，来流≥10②重点观测区域位于重庆市SSTk-ω≥5H，出流≥6H地面以上第3个网格或模型进口：符合指数定律的来流风避免更高③重点观测区加密出口：无采用处理①迭代残差小于0.01%顶部及侧边：无一阶标准k-ε模②目标变量的值恒定或变化不①建筑的人行区域壁面：光滑壁面采用对数定律；差分型Durbin明显建筑覆盖区域占整个计（1.5m）高度划分网格数粗糙壁面采用指数关系式进行北京市格式模型算区域面积的比例≥10修正MMK模≤3%，顶部≥3H，其他②重点观测区域位于地型方向≥5H面以上第3个网格或更江苏省无高47 重庆大学硕士学位论文3.5本章小结本章节从应用的角度对计算流体力学理论体系进行梳理总结，针对计算流体力学的解析方法，从离散化方法、差分格式、湍流模型、网格生成和边界条件等5个方面总结了计算流体力学的理论基础，并对目前常用的CFD商业软件进行介绍，给出了风环境模拟中常用软件的对比列表，表中详细给出了各软件的不同功能特点，便于实践工程参考。本章节的重点是对现有CFD应用指南/规范的对比分析，根据欧洲COST、德国DVI、日本AIJ和北京市、江苏省、重庆市《绿色建筑设计标准》中关于CFD应用的指导要求，梳理总结出物理模型简化、计算区域选择、差分格式等6个技术关键点，为后文中实践案例的应用效果分析及典型模型CFD模拟案例提供分析框架。48 4CFD工程案例研究4CFD工程案例研究本研究中选取24个实际绿色建筑标识项目案例，根据各项目的CFD应用情况，按照前文中的建筑风环境理论基础和CFD应用技术关键点，将24个项目进行梳理分析，以期得到关于CFD在绿色建筑室外风环境优化设计中的应用现状及效果。其中，根据“建筑风环境理论基础”，将24个项目按照不同的地域分布、建筑选址、建筑布局以及建筑类型进行分类，以期从实践角度验证前文理论基础。此外，笔者还将根据“CFD应用技术关键点”，将24个实践案例按照气象参数选择、模拟工况分类、物理模型简化等7个主要技术点分别进行梳理，分析各技术点应用现状及其对模拟效果的影响。通过对多个实践案例的梳理总结，与现有CFD模拟指导规范进行对比，总结出目前CFD在我国绿色建筑室外风环境模拟评价中的应用现状，并给出适用于《绿色建筑评价标准》GB50378-2014的室外风环境CFD模拟计算报告模板。4.1实践项目概述4.1.1地域分布图4.1实践案例地域分布图Fig.4.1Theregionaldistributionofprojects24个项目分布于我国7个省及4个直辖市（图4.1），覆盖严寒、寒冷、夏热冬冷及夏热冬暖四个热工设计分区（图4.2）。不同的地域分布对建筑气候、风力49 重庆大学硕士学位论文资源以及传统建筑形式有明显的影响，通过对多个地理分布的项目进行梳理分析，可以得到更加符合我国绿色建筑标识项目应用现状的数据结果，是本研究最终结论有效性的保证。4%17%17%62%严寒寒冷夏热冬冷夏热冬暖图4.2实践案例热工设计分区分布图Fig.4.2Thethermotechnicaldesignpartitionsofdifferentprojects4.1.2星级分布不同标识星级的绿色建筑项目在“绿色性”表现上差异明显，针对本研究内容，项目标识星级对条文达标性的影响并不明显，但是为了更好的体现我国绿色建筑项目整体应用趋势，本研究选取的24个实践案例均匀分布在不同的星级中（图4.3）。6555444432210公共建筑居住建筑★★★★★★图4.3实践案例标识星级分布图Fig.4.3Thestarleveldistributionofdifferentprojects50 4CFD工程案例研究4.1.3建筑类型公共建筑与居住建筑由于使用特性的不同，导致其对建筑设计的需求也不尽相同。对于公共建筑，为了提供更加适于用户工作、娱乐、休闲等需求，在室外风环境设计中会更多的考虑室外人行区域舒适性。相比之下，居住建筑更加关注用户日常居住体验，相较于风环境而言，光环境及声环境的设计效果更加重要。根据《绿色建筑评价标准》GB50378-2014中的要求，室外风环境评价条文未针对公共建筑及居住建筑进行分类设置，因此，本研究中并不对两种建筑类型进行分类比较。此处仅根据图4.3中的分类进行项目概述，以表征本研究项目筛选的有效性，在本研究中，公共建筑项目13例，居住建筑项目11例，比例约为1:1。4.2实践项目室外风环境分析本研究中的24个项目均以字母A~X代替项目名称，具体项目信息如附录所示，在本章节的分析中，均以附录中的字母代号为准。4.2.1风资源对建筑室外风环境的影响我国西倚欧亚大陆，东向、南向濒临太平洋，这样的地理位置造就了我国典型大陆性气候的现状。虽然我国地域广阔，南北跨越热带、温带、寒带多个气候带，气候区分布多样化，但是从我国整体气候分布看来，大部分地区的大陆度数值都很高。对于我国沿海地区，由于冬季气流由陆入海，导致我国东部沿海地区也未受到海洋气候的过多影响，而且冬季内陆风控制时间很长、风力强度大的特点也导致这些沿海地区的气候被认为呈大陆性。图4.4我国风力资源分布图Fig.4.4ThedistributionofwindresourceinChina51 重庆大学硕士学位论文城市尺度的风力资源对建筑室外风环境营造的影响显著，为体现案例筛选的有效性，本研究中，24个实践案例的风力资源分布情况如图4.5所示。由于我国风力资源总体较匮乏，绿色建筑标识项目中占比较大的夏热冬冷区属于风力资源匮乏区域，故本研究中62%的项目位于风力资源匮乏区。21%17%62%丰富较好匮乏图4.5实践项目所在地风力资源分布图Fig.4.5Thedistributionofwindresourseofdifferentprojects风力资源对建筑室外风环境设计的影响主要体现在冬季平均风速下建筑室外人行区域1.5m高度处的风速值，下面笔者就根据三个不同风力资源分区分别进行梳理分析。m/s1211.2210.12109.009.008.008.0087.176.406.645.275.2765.1045.005.001.981.361.5620.950.950ABCGW模拟工况风速最大风速初始风速风速放大系数图4.6风力资源丰富区建筑室外风环境模拟数据Fig.4.6Theoutdoorwindenvironmentsimulationdateofprojectsinabundantwindresourcearea52 4CFD工程案例研究①风力资源丰富区本研究中，共有5个项目位于风力资源丰富区域，根据《中国建筑热环境分析专用气象数据集》中的数据，各项目选择的冬季工况下建筑室外人行区域1.5m处最大风速、风速放大系数如图4.6所示。上表中，“模拟工况风速值”为实践案例项目模拟工况中10%大风下的风速值，“最大风速值”是对应于各工况下目标模拟区域内风速最大值，初始风速为目标模拟区域内距地1.5m高度处未受建筑物影响的风速指，风速放大系数则为最大风速与初始风速的比值。从图中可以看出，由于风力资源丰富区的模拟工况风速较大，风速范围为6.4m/s~9.0m/s，导致模拟结果中的最大风速和初始风速均呈现较高的情况，且5个项目的最大风速均超过了标准要求的5m/s，需要采取相应的措施降低风速以避免不舒适风环境的出现。②风力资源较好区域m/s7.8786.4075.006.006.006.0064.7854.434.434.263.8243.9531.7821.251.441.0810EHI0模拟工况风速最大风速初始风速风速放大系数图4.7风力资源较好区建筑室外风环境模拟数据Fig.4.7Theoutdoorwindenvironmentsimulationdateofprojectsinordinarywindresourcearea风力资源较好区域的4个项目中，模拟工况风速分范围为5.00m/s到6.00m/s，相比风力资源丰富区域下降28.57%，同样的，最大风速范围为4.26m/s~7.87m/s，同比下降27.78%，但是仍有一半比例的项目未满足标准中对冬季工况下建筑室外人行区高度风速小于5m/s的要求。③风力资源匮乏区域53 重庆大学硕士学位论文m/s543.202.8032.502.402.672.302.302.401.502.201.501.502.1021.101.6010DFJKLMNPQRSTUVX模拟工况风速最大风速初始风速风速放大系数图4.8风力资源匮乏区建筑室外风环境模拟数据Fig.4.8Theoutdoorwindenvironmentsimulationdateofprojectsinpauvrewindresourcearea风力资源匮乏区域共有15个项目，在三个分区中占比最大，15项目中，除了D项目出现风速较高的情况，其他多个项目的模拟工况风速均处于1.60m/s~3.00m/s范围内，相比风力资源丰富区域下降74.11%。受到来流风速的影响，模拟工况下最大风速相比于另外两个分区同样偏小，最大风速范围为1.10m/s~3.20m/s，相比风力资源丰富区域下降73.50%，均满足标准中对冬季工况下建筑室外人行区高度风速小于5m/s的要求。根据以上数据分析，不同风力资源区对建筑室外风环境设计的影响主要表现在建筑周围1.5m处最大风速的大小。4.2.2建筑选址对室外风环境的影响建筑选址受到城市规划、建筑地段状况、道路交通状况、相邻建筑情况等多个因素的影响，不同的建筑选址对建筑室外风环境的营造有着较明显的影响。本研究中，主要关注实践案例周围建筑情况及建筑所在地地形两个因素对室外风环境的影响。实践案例周围建筑及道路情况对室外风环境设计的影响主要体现在两个方面：一为参评建筑与周围建筑形成的建筑布局，该部分内容将在下一个小节具体叙述；二为不同的地貌下形成的下垫面粗糙度对建筑周围平均风速的影响，该部分内容为本节主要研究点。地表越粗糙，如大城市市中心，风能消耗越厉害，因而平均风速下降越明显，54 4CFD工程案例研究到达城市中心的来流风速越小。粗糙度越小，例如海岸、沙滩、湖岸等开阔地带，平均风速明显更高，平坦空旷地带次之，小城市又次。下垫面粗糙度的不同明显影响着来流风速的取值，3.4.3节，关于进口边界条件设置的讨论中，提出采用高度梯度风概念模拟来流风速的要求，就是考虑到建筑选址中地貌地形对模拟结果的影响。本研究中24个实践项目的地貌情况包括A类、B类及C类，其分布比例如图4.9所示。12%17%71%A类地貌B类地貌C类地貌图4.9实践项目地貌分布图Fig.4.9Thegeomorphologydistributionofdifferentprojects不同的下垫面粗糙度会导致在相同的室外参数下形成不同的风速梯度，也即建筑室外人行区域1.5m处初始速度的大小，进而对风速放大系数造成影响。下面笔者根据3个不同地貌分类对24个项目分别进行梳理。①A类地貌（近海面、海盗、海岸、湖岸及沙漠地带）本研究中，共有3个项目属于A类地貌，均为近海岸地带。现选取冬季平均风速下建筑室外人行区域1.5m处最大风速及初始风速、风速放大系数进行分析，数据结果如图4.10所示。根据理论分析，不同粗糙度会对风环境中初始风速造成影响，此处用初始风速对模拟工况风速的相对变化比来表示。根据图中数据，A项目的相对变化比为20.31%，E项目为23.77%，W项目为20.31%，平均值为21.47%。55 重庆大学硕士学位论文m/s1210.12108.1286.406.402.9465.102.9045.11.981.5922.211.330AEW模拟工况风速最大风速初始风速风速放大系数图4.10A类地貌建筑室外风环境模拟数据Fig.4.10ThesimulationdateofoutdoorwindenvironmentinAlandform②B类地貌B类地貌是我国规范规定的标准地面粗糙度类别，本研究中数以B类地貌的项目有4个，图4.11显示的是冬季平均风速下建筑室外人行区域1.5m处最大风速及初始风速、风速放大系数。根据图中数据，G项目的相对变化比为26.14%，H项目为26.15%，J项目为50.00%，N项目为26.19%，由于J项目个体差异，计算平均值时剔除该结果，则B类地貌平均值为26.16%。m/s5.7065.0055.503.9042.674.212.881.8832.101.741.601.7221.3111.501.550.800GHJN模拟工况风速最大风速初始风速风速放大系数图4.11B类地貌建筑室外风环境模拟数据Fig.4.11ThesimulationdateofoutdoorwindenvironmentinBlandform56 4CFD工程案例研究③C类地貌C类地貌是本次研究中占比最大的类型，C类地貌是指有密集建筑群的城市市区，在目前我国大多绿色建筑标识项目属于此类地貌。图4.13显示了C类地貌中17个项目的初始风速相对于模拟工况风速的相对变化比。可以看出数值变化范围为16.67%~50.62%之间，平均值为30.67%。m/s543210BCDFIKLMOPQRSTUVX模拟工况风速最大风速初始风速风速放大系数图4.12C类地貌建筑室外风环境模拟数据Fig.4.12ThesimulationdateofoutdoorwindenvironmentinClandform60%50.62%50%34.24%40%34.00%34.00%34.19%34.19%33.33%29.01%30%33.94%26.09%34.00%31.82%31.37%19.19%20%26.28%18.52%10%16.67%0%BCDFIKLMOPQRSTUVX图4.13C类地貌建筑室外风环境相对变化比Fig.4.13TherelativechangeratioofoutdoorwindenvironmentinClandform57 重庆大学硕士学位论文由以上数据分析可以总结出，不同的地貌类型会对建筑室外1.5m处初始速度造成不同的影响，从初始速度对模拟工况速度的相对变化比可以看出，A类地貌的数值最小，说明此类地貌对来流风的消耗最小。同理，在模拟工况风速同为5m/s的情况下，A类地貌形成的初始风速为6.4m/s，B类地貌形成的初始风速为4.2m/s，而C类地貌形成的初始风速则为2.9m/s，该模拟结果同样印证了前文中提出的地貌对风环境的影响效果。4.2.3群体建筑布局对室外风环境的影响根据2.1.3中的内容可知，不同的建筑布局对建筑室外风环境的影响效果显著，主要表现在风环境流场分布状况。本节中，根据行列式、围合式及自由式三种建筑布局对24个实践案例中的典型情况进行分析。①行列式由于行列式具有布局规整、有序的特点，常用于居住建筑群体规划设计中。住宅建筑群采用行列式布局有利于高效利用规划用地，同时营造良好的日照条件和视野。X项目为与夏热冬冷地区，属于风资源匮乏区域，C类地貌，全年风频最大风向为NW和NNW，夏季平均风速为1.80m/s，10%大风风速为3.00m/s；过渡季平均风速为2.00m/s，10%大风风速同样为3.00m/s。由于四种工况风向一致，且夏季、过渡季10%大风风速一致，此处选取三种工况进行分析。图4.14.~4.16是三种工况下X项目模拟区域内流场速度矢量图。图4.14X项目距地1.5m高度风速矢量图（夏季平均风速）Fig.4.14Thewindvelocityvectordiagramof1.5mdistancefromthegroundofXproject(Summeraveragevelocity)58 4CFD工程案例研究图4.15X项目距地1.5m高度风速矢量图（过渡季平均风速）Fig.4.15Thewindvelocityvectordiagramof1.5mdistancefromthegroundofXproject(springandautumnaveragevelocity)图4.16X项目距地1.5m高度风速矢量图（夏季、过渡季10%大风）Fig.4.16Thewindvelocityvectordiagramof1.5mdistancefromthegroundofXproject(summerspringandautumn10%highwind)59 重庆大学硕士学位论文从图4.14.的红框部分可以看出，X项目属于典型的行列式建筑布局，各排建筑平均分布在区域内，并保持一定的等间距。4.14~4.16展示了夏季、过渡季X项目距地1.5m高度风速矢量图，计算区域内空气流场分布均匀有序，并未出现涡流区和无风区，符合行列式布局的特点。②围合式围合式布局最突出的特点就是易于闭合区域内产生涡流区，尤其是在夏季及过渡季，不利于污染物消散和通风。N项目位于夏热冬暖地区，属于风资源匮乏区域，B类地貌，夏季平均风速为1.70m/s，最大风频风向为S，10%大风风速为3.00m/s；过渡季平均风速为1.90m/s，最大风频风向为N，10%大风风速为3.00m/s。N项目建筑布局属于典型的围合式布局，图4.17.~4.20是四种工况下N项目模拟区域内流场速度矢量图。从图中可以看出，四种工况下，计算区域内均出现了不同程度的涡旋区，N项目属于典型的围合式布局，又由于建筑群内多为不规则点式建筑，更导致了风场不规则流动的形成。图4.17N项目距地1.5m高度风速矢量图（夏季10%大风）Fig.4.17Thewindvelocityvectordiagramof1.5mdistancefromthegroundofNproject(summer10%highwind)60 4CFD工程案例研究图4.18N项目距地1.5m高度风速矢量图（夏季平均风速局部图）Fig.4.18Thewindvelocityvectordiagramof1.5mdistancefromthegroundofNproject(summeraveragewindvelocity)图4.19N项目距地1.5m高度风速矢量图（过渡季10%大风）Fig.4.19Thewindvelocityvectordiagramof1.5mdistancefromthegroundofNproject(springandautumn10%highwind)61 重庆大学硕士学位论文图4.20N项目距地1.5m高度风速矢量图（过渡季平均风速局部图）Fig.4.20Thewindvelocityvectordiagramof1.5mdistancefromthegroundofNproject(springandautumnaveragewindvelocity)由于N项目所在地夏季及过渡季的两种工况下，各自的风向是一致的，在不同风速下，形成的风场也基本保持一致。图4.17和4.19是两个季节10%大风风速下的距地1.5m高度风速矢量图，图4.18和4.20是两个季节平均风速在的局部图，从图中可以清晰的看出，在建筑背风面形成了一定范围的涡流区（红框所示），不利于污染物消散。除了类型N项目的典型围合式布局外，还有一种半围合式布局也常见于居住建筑群中。下面就以O项目为例进行说明。62 4CFD工程案例研究图4.21O项目距地1.5m高度风速矢量图（过渡季10%大风）Fig.4.21Thewindvelocityvectordiagramof1.5mdistancefromthegroundofOproject(springandautumn10%highwind)图4.22O项目距地1.5m高度风速矢量图（过渡季平均风速）Fig.4.22Thewindvelocityvectordiagramof1.5mdistancefromthegroundofOproject(springandautumnaveragevelocity)63 重庆大学硕士学位论文O项目位于寒冷地区，属于风力资源较好区域，地貌类型为C类，过渡季风频最高的风向为NE，平均风速为2.40m/s，10%大风风速为4.00m/s。O项目建筑布局数据典型的半围合式，如图中红框内所示。从上图中可以看出，在过渡季节，两种不同的工况下均在参评建筑背风面形成涡流区，不利于污染物消散。通过两种典型项目的模拟结果显示，围合式布局建筑群在夏季、过渡季工况下，由于建筑群形成内部闭合或半闭合情况，易在建筑背风面形成不同大小的涡流区，不利于夏季建筑散热和污染物消散。③自由式自由式布局常见于密集公共建筑群，以及大范围住宅建筑群。自由式布局的特点是以建筑区域内主体建筑为中心，根据功能不同零星的将建筑分布于用地范围内，该布局可以形成自由的风环境流场。下面就以R项目为例进行分析。R项目位于夏热冬冷地区，属于风力资源匮乏区域，地貌类型为C类，全年风频最大风向为N，夏季平均风速为1.50m/s，10%大风风速为2.70m/s；过渡季平均风速为1.38m/s，10%大风风速同样为2.65m/s。由于四种工况风向一致，此处选取夏季10%大风工况进行分析。图4.23是R项目的物理建模图，可以看出在计算区域内，R项目为典型的自由式布局，图4.24.、4.25是该工况下R项目模拟区域内流场速度矢量图及局部放大图。图4.23R项目物理模型Fig.4.23ThephysicalmodelofRproject64 4CFD工程案例研究图4.24R项目项目距地1.5m高度风速矢量图（夏季10%大风）Fig.4.24Thewindvelocityvectordiagramof1.5mdistancefromthegroundofRproject(summer10%highwind)图4.25R项目项目距地1.5m高度风速矢量图（夏季10%大风局部）Fig.4.25Thewindvelocityvectordiagramof1.5mdistancefromthegroundofRproject(summer10%highwindlocalmap)65 重庆大学硕士学位论文从图中可以看出，整个流场内各建筑周围形成均匀分布的风环境，建筑迎风面及背风面均未出现涡流区和无风区，相比于行列式布局，由于自由式布局各建筑之间无序排列，导致建筑风场分布更加均匀，空气流动形态以建筑物为中心均匀分布。4.3实践项目CFD应用现状分析4.3.1气象参数建筑风环境模拟的重要初始参数之一是气象参数，《绿色建筑评价标准》GB50378-2014中要求：利用计算流体动力学(CFD)手段通过不同季节典型风向、风速可对建筑外风环境进行模拟，其中来流风速、风向为对应季节内出现频率最高的风向和平均风速，可通过查阅建筑设计或暖通空调设计手册中所在城市的相[37]关资料得到。标准中虽然对模拟参数进行了要求，但是并没有明确气象参数的数据来源，也没有说明气象参数的采集、统计和使用方法。北京市《绿色建筑设计标准》DB11938-2012中明确给出了当地风环境模拟气象参数，数据来源是《中国建筑热环境分析专用气象数据集》。相比之下，重庆市《绿色建筑设计标准》（报批稿）中对气象参数要求更加多样化：根据当地气象条件针对夏季、过渡季和冬节最多风向条件下，平均风速进行室外通风模拟。若无当地气象数据，建议采用《中国建筑热环境分析专用气象数据集》中逐时气象数据进行统计得到或参考现行的《民用建筑供暖通风与空气调节设计规范》GB50736。该标准中提出了三种不同的数据来源，下面以重庆为例对比分析三种气象数[50]据库的差别，其中《中国建筑热环境分析专用气象数据集》（以下简称“数据集”）中采用的是重庆市沙坪坝区气象站数据（表4.1），《民用建筑供暖通风与空气调节[51]设计规范》GB50736-2012（以下简称“设计规范”）中采用的是重庆市区、万州县以及奉节县三个不同区域的数据（表4.2）；当地气象参数选取重庆大学城市建设与环境工程学院楼（以下简称“城环”）所在地屋顶气象站实测多年的逐时气象数[52]据（表4.3）。表4.1《中国建筑热环境分析专用气象数据集》数据Table4.1Chinabuildingthermalenvironmentanalysisdedicatedmeteorologicaldataset夏季过渡季冬季风向风向频率平均风速风向频率平均风速风向频率平均风速%m/s%m/s%m/sN3.972.087.501.908.241.57NNE5.962.396.612.036.092.1266 4CFD工程案例研究夏季过渡季冬季风向风向频率平均风速风向频率平均风速风向频率平均风速%m/s%m/s%m/sNE3.641.913.211.948.241.57ENE3.312.105.541.875.382.40E4.301.774.462.364.303.00ESE1.991.834.112.3504.50SE1.662.202.321.852.156.00SSE5.302.003.211.890.7218.00S3.972.582.322.154.303.00SSW2.982.442.321.543.943.27SW9.931.974.461.6802.57WSW3.971.503.391.683.943.27W6.291.533.931.455.022.57WNW7.621.9110.001.708.601.50NW21.191.81（3.00）16.251.8018.280.71（3.00）NNW13.912.0720.362.00（3.00）12.901.00表4.2《民用建筑供暖通风与空气调节设计规范》GB50736-2012数据Table4.2DesigncodeforheatingventilationandairconditongingofcivilbuildingsGB50376-2012地区季节室外平均风速（m/s）最多风向最多风向的风频夏季1.50ENE8%重庆市区冬季1.10NNE13%全年无NNE13%夏季2.30N5%万州县冬季1.90NNE5%全年无NNE5%夏季3.00NNE17%奉节县冬季3.10NNE13%全年无NNE16%67 重庆大学硕士学位论文表4.3重庆大学城市建设与环境工程学院楼当地气象数据Table4.3Chongqinguniversityurbanconstructionandenvironmentalengineeringlocalmeteorologicaldata季节室外平均风速（m/s）最多风向夏季0.46W冬季0.33W对比以上三种数据可以发现，三种数据库中各季节平均风速、风向差异很大。因此，如果同一个项目采用不同的数据库参数，其模拟结果的差异必然也很明显。理论上，当地气象参数是最符合项目所在区域的真实气象状况的，但是由于项目实测数据受到测试时间、测试水平的限制，目前采取小尺度气象参数的项目很少。设计院在进行暖通设计和负荷计算时多采用设计规范中的气象参数，而风环境模拟时使用的数据来源是数据集，由于这两种数据库在数据采集、统计和分析上的方法差异，导致个别地区两个版本的气象参数差别很大。本研究采用的24个案例中，采用数据集的项目占比91.67%，采用设计规范的项目占比8.33%，没有出现采用小尺度气象参数的项目。表4.4中列出了数据集和设计规范的内容对比，相比之下，数据集中的气象参数种类全面，更加适合风环境模拟参数需求，这也是目前大部分项目选择数据集的原因。表4.4数据集及设计规范内容对比Table4.4Thecomparisionbetweenmeteorologicaldatasetanddesigncode气象参数版本应用范围气象站数目季节涵盖数据类型风向频率%风速数据集建筑热环境设计270冬季夏季过渡季m/s10%大风风速m/s设计规范暖通设计负荷计算294冬季夏季风向频率%风速m/s4.3.2模拟工况《绿色建筑评价标准》GB50378-2014中提出应对典型季节夏季、冬季和过渡季的建筑室外风环境进行模拟，但是并没有给出各季节对应的日期月份，也没有给出不同季节的划分原则。在项目评价过程中，需要对冬季、夏季及过渡季对应的最大风频风向和平均风速工况进行分别模拟分析，同时，需要对三种季节内出现10%大风的情况进行68 4CFD工程案例研究单独模拟，此处，10%大风风速统计方法为将相应时间段内的风速按升序进行排列，取数据中排列在90%的值为10%大风的风速。10%大风的情况代表了各季节极端天气下的气象参数，保证了风环境模拟的全面性。因此，理论上单个建筑项目应当按照6种不同的模拟工况进行分析。但是，考虑到部分地区的不同工况可能出现气象参数相似的情况，为了节约模拟成本，实际应用中，很多设计单位或是咨询方会选择简化模拟工况的做法。表4.5重庆典型季节气象参数Table4.5ThetypicalseasonalmeteorologicaldataofChongqing风向频率平均风速季节最大风频风向10%大风风速m/s%m/s夏季NW21.191.813.00过渡季NWN20.362.003.00冬季NW18.280.713.00以重庆市区为例，表4.5给出了数据集中各季节最大风频风向及风速，其中夏季和冬季的最大风频风向均为NW，且10%大风风速均为3.00m/s，又由于冬季平均风速远小于夏季，考虑到冬季风环境模拟的重点是防风性，所以此时可以将冬夏季的四种模拟工况合为两种。因此，重庆地区的风环境模拟工况应该如表4.6中所示。表4.6重庆地区模拟工况Table4.6TheoperatingconditionofChongqingdistrict工况季节风向风速（m/s）工况一冬季、夏季10%大风NW3.00工况二冬季、夏季平均风速NW1.81工况三过渡季平均风速NWN2.00工况四过渡季10%大风NWN3.00本研究的24个项目案例中，由于数据来源和地区差异，再加上咨询方的工作方式不同，导致不同项目采用的模拟工况数差别很大。其中25%的项目采用了完整的6种模拟工况，其余的项目均对模拟工况进行了简化处理。下面，笔者将以Q项目、B项目为例说明简化模拟工况的原则。69 重庆大学硕士学位论文表4.7Q项目《中国建筑热环境分析专用气象数据集》数据Table4.7ChinabuildingthermalenvironmentanalysisdedicatedmeteorologicaldatasetofQproject夏季冬季过渡季风向风向频率平均风速风向频率平均风速风向频率平均风速%m/s%m/s%m/sN4.092.4014.113.0019.162.70NNE3.461.9031.663.1(4.0)20.942.9(4.0)NE10.691.9015.052.7020.452.30ENE6.922.3013.792.208.772.20E8.812.403.761.805.841.70ESE8.812.602.511.903.252.10SE3.772.500.631.502.601.40SSE4.091.900.631.000.492.00S5.351.800.631.500.162.00SSW11.322.600.312.000.811.80SW19.812.9(4.0)2.822.103.252.20WSW7.552.801.881.803.571.80W2.202.000.941.702.111.50WNW0.631.000.631.001.301.40NW0.632.502.192.002.271.90NWN1.892.508.462.85.032.50表4.8Q项目模拟工况Table4.8TheoperatingconditionofQproject工况季节风向风速工况一过渡季、冬季10%大风NNE4.00工况二夏季10%大风SW4.00工况三过渡季、冬季平均风速NNE3.10工况四夏季平均风速SW2.90Q项目中，工况1、工况2主要分析各季节10%大风情况下建筑周边人行区域风速是否小于5m/s，工况1同时分析冬季的防风情况；工况3、工况4主要分析70 4CFD工程案例研究在主导风向平均风速条件下建筑前后压差是否有利于夏季、过渡季的自然通风；工况3分析冬季平均风速条件下的防风情况，各工况同时需要分析周边是否会形成无风区、涡流区从而影响周围空气品质。Q项目的模拟工况简化方法如下：①确定冬季、夏季、过渡季的主导风向（风频最大风向）、平均风速及10%大风风速；②合并6种工况中的相同风向指标，选择风速指标较大的情况进行模拟。表4.9B项目气象参数Table4.9MeteorologicalparameterofBproject夏季过渡季冬季风向风向频平均风10%大风向频平均风速10%大风风向频平均风10%大率%速m/s风m/s率%m/sm/s率%速m/s风m/sN0.603.005.002.833.706.0010.333.705.00NNE5.394.306.0010.424.708.0012.674.007.00NE10.483.306.008.944.909.009.002.905.00ENE8.682.303.006.712.203.0014.002.003.00E4.471.703.003.131.702.001.331.802.00ESE4.471.803.001.041.102.000.332.002.00SE2.682.203.001.641.903.001.331.502.00SSE4.192.405.003.582.404.002.002.003.00S10.782.806.0011.923.707.0010.332.705.00SSW22.804.006.0017.584.107.0013.333.907.00SW11.683.506.007.904.107.006.674.409.00WSW5.992.505.004.013.507.001.672.806.00W3.292.303.005.662.704.002.672.403.00WNW1.802.202.005.703.507.003.003.205.00NW0.901.702.004.474.308.005.344.206.00NNW1.802.804.004.473.806.006.004.106.0071 重庆大学硕士学位论文表4.10B项目模拟工况Table4.10TheoperatingconditionofBproject工况季节风向风速工况一夏季、过渡季、冬季10%大风SSW7.00工况二过渡季、冬季10%大风NNE8.00工况三夏季、过渡季、冬季平均风速SSW4.00工况四过渡季、冬季平均风速NNE4.00根据表4.9，B项目所在地夏季多偏南风，风向频率约为45%；过渡季多偏南、偏北风，风向频率约占40%；冬季多偏南、偏北风，风向频率约占45%。B项目简化模拟工况的方式与Q项目有一定的差异。对比表4.7和表4.9可以发现，Q项目所在地各季节的主导风向风频明显大于其他风向风频，而B项目冬季SSW风向风频为13.33%，ENE风向风频为14.00%，NNE风向风频为12.67%，三种风向在冬季的出现频率接近，过渡季出现同样的情况（如表4.9中粗体所示）。在这种情况下，无法根据前文所述的方法简化模拟工况，参考表4.10所示，当典型季节出现相似风频风向时，需要同时模拟多种风向工况以保证求解结果的完整性。综上所述，简化模拟工况的原则是能够在保证模拟结果全面性的同时降低CFD模拟工作量，因此，现总结简化模拟工况的方法如下：①根据气象参数总结项目所在地各典型季节主导风向（按照东南西北四个主要风向进行梳理），若单个季节出现相似风频风向，需要同时考虑。②将各典型季节按照主导风向进行分类，按照平均风速及10%大风工况，分别取最大风速进行模拟。基于该简化方法，可以判定出本研究中部分工程案例的模拟工况简化方法是不合理的。例如A项目，项目所在地的气象参数如表4.11所示，根据前文中的简化方法，A项目应该按照四种模拟工况进行分析，如表4.12所示。实际应用中，A项目仅采用两种模拟工况，分别为表4.12中的工况三和工况四。出现类似情况的还有K项目（缺少过渡季平均风速工况）、S项目（缺少过渡季平均风速工况）、U项目（缺少过渡季10%大风工况）、W项目（夏季、过渡季工况中未选择各风向最大风速）。72 4CFD工程案例研究表4.11A项目气象参数Table4.11MeteorologicalparameterofAproject夏季过渡季冬季风向风向频平均风速10%大风风向频平均风10%大风向频平均风10%大率%m/sm/s率%速m/s风m/s率%速m/s风m/sN4.883.504.0014.996.209.0024.16.409.00NNE1.712.804.008.095.709.009.394.908.00NE4.012.804.003.833.506.005.453.305.00ENE1.892.504.002.173.105.002.023.305.00E7.283.405.001.823.405.001.222.804.00ESE6.774.206.001.823.405.000.612.503.00SE12.444.306.002.583.906.000.943.104.00SSE10.054.206.004.064.307.001.743.004.00S21.984.708.0012.135.409.006.394.804.00SSW5.024.507.0012.806.109.006.015.104.00SW3.363.805.007.265.108.005.504.304.00WSW0.553.406.002.844.006.002.913.704.00W2.124.107.003.484.207.004.183.604.00WNW1.842.805.003.394.708.003.903.904.00NW7.283.305.006.275.209.007.524.904.00NNW8.804.106.0012.475.108.0018.134.804.00表4.12A项目理论模拟工况Table4.12ThetypicaloperatingconditionofAproject工况季节风向风速工况一过渡季、冬季10%大风N9.00工况二夏季10%大风S8.00工况三过渡季、冬季平均风速N6.40工况四夏季平均风速S4.70综上所述，在实际应用中，目前仍有一定比例的项目存在不合理的模拟工况简化情况，因此建议相关标准中增加对模拟工况的具体要求。4.3.3物理模型根据表3.7，关于物理模型简化的要求为：在目标模拟区域内以最大的细节要73 重庆大学硕士学位论文求再现物理模型。除此之外，重庆市《绿色建筑设计标准》（报批稿）中还提出了应当根据项目规划红线图建立地形、目标建筑及其周边有影响的建筑模型的要求。①地形再现本研究的24个工程案例中，共有7个项目所在地地形为非平原，其中仅有1个项目在物理建模的过程中考虑了对地形的还原，其余6个项目均按照平原地形进行物理模型区域再现。表4.13中列出了7个项目的地形特征，数据来源为各项目《环评报告书》，其中T项目《环评报告书》中仅提供地形特点描述。场地相对高差指目标计算区域内地理最高点高程与地理最低点高程差。南北及东西向进深为项目所在地块长度。由于地形参数是复杂多变的，且没有明显的变化规律，所以在多个项目交叉对比中很难总结出地形对模拟结果的影响原则。表4.13山地地形项目列表Table4.13Mountainterrainprojectlist项目名称地形特点场地相对高差南北进深东西进深J北高南低12.43320155L西高东低，南高北低19200140R南高北低24260180S西高东低37.44360200T上中部高，东西两翼低无无无V西高东低7.8295358X东高西低，南高北低40340270R项目是7个山地项目中唯一对地形进行物理模型再现的项目，其物理模型如图4.26所示，其中粉色建筑为目标模拟建筑，黄色建筑为参评项目周边建筑，绿色及红色部分为地形模型。通过对24个项目的调研分析可以看出，虽然相关标准中要求物理模型再现时需要考虑地形的影响，但是由于并未明确标明地形参数的界定方法，且部分项目的环评资料中缺少项目所在地地形的完整信息，所以在实际工程应用中，大多工作人员并未将地形因素考虑在内。理论上，不同的地形对风环境必然会有影响，但是在什么情况下可以忽略地形的影响，什么情况下必须将地形因素考虑在内，对于某个目前还没有相关研究定论，因此，关于地形模拟的内容还需要进行更多的研究，同样也建议相关标准在未来的修订版本中增加对这部分内容的详细要求。74 4CFD工程案例研究图4.26R项目物理模型Fig.4.26ThephysicalmodelofRproject②周围建筑再现参评建筑周边环境对室外风环境有明显影响，因此在构建物理模型时，需要将参评建筑周围的其他建筑考虑在内。针对本研究中的24个工程案例，仅J项目没有考虑周边建筑的影响，不符合标准要求。由此可以看出，在实际应用中，大多数项目都能满足该条规定。在实际应用中，物理模型再现过程中的不合理现象主要来自于地形再现的忽略，建议相关标准中增加对地形再现的具体要求，包括如何划分地形种类，如何确定需要纳入考虑的地形参数。此外，虽然大多项目都能将参评建筑的周边建筑考虑在内，但是标准中没有提出如何确定周边建筑的面积范围，如何在保证准确模拟周边建筑对风环境的影响效果的同时，不因引入过大建筑面积而增加不必要的工作量，需要进行更多的研究。综上所述，在模拟计算报告中，物理模型简化部分应当包含关于目标模拟建筑所在地地形及周围建筑的详细信息，同时应当提供物理模型效果图，对于几何构造特色的项目需要提供物理模型局部放大图。对于需要考虑地形的情况，需要提供项目所在地地形图，并提供立面剖面物理模型效果图，以便评审人员进行物理模型构造准确性的判定。4.3.4计算区域根据3.4.2中的总结，各研究机构及相关标准中对计算区域的要求差异很大，欧洲COST及德国VDI中对单栋建筑和多栋建筑的计算区域提出了不同的要求，为了更加详细的规定计算区域的确定方法，德国VDI还提出了阻塞率的概念，并且被日本AIJ采纳。75 重庆大学硕士学位论文在国内的相关标准中，并未区分单栋建筑与多栋建筑的差别。北京市《绿色建筑设计标准》DB11938-2012和江苏省《绿色建筑设计标准》DGJ32/J173-2014均参考了欧洲COST和日本AIJ的研究成果，区别为用“建筑覆盖区域占整个计算区域面积百分比”代替了阻塞率的概念。相比之下，重庆市《绿色建筑设计标准》（报批稿）中对增大对下风向距离的要求，且明确规定基准建筑高度H为分析模型整体高度（含地形）。表4.14计算区域Table4.14Computationaldomain建筑高度计算区域建筑覆盖区域与计算区域编号Hmax（m）L×D×H面积之比A60.0020.0H×16.7H×5.0H3.63%B98.4010.2H×8.6H×3.0H2.29%C97.4510.3H×8.7H×3.1H2.29%D100.0015.0H×16.0H×2.5H1.22%E23.9579.3H×79.3H×6.3H0.23%F28.1571.0H×71.0H×10.7H0.77%G21.3056.3H×51.6H×9.4H4.83%H66.0012.9H×11.4H×3.8H14.53%I57.0021.1H×21.1H×3.5H1.50%J41.9059.7H×38.2H×6.0H1.25%K80.0037.5H×37.5H×3.1H1.12%L100.004.5H×5.5H×3.5H10.10%M100.0010.0H×7.0H×7.0H4.78%N94.6511.1H×9.5H×3.2H2.07%O79.9513.1H×12.5H×2.5H1.16%P50.0019.0H×19.0H×4.0H2.08%Q96.459.3H×8.8H×3.1H3.03%R123.3016.2H×16.2H×2.4H1.11%S150.0012H×13.3H×4.0H7.80%T60.0030H×75H×4.2H0.52%U100.0030H×30H×4.0H3.12%V54.0018.5H×18.5H×3.7H8.96%W97.0213.9H×8.8H×2.1H0.91%X80.0017.5H×15.0H×3.1H3.80%76 4CFD工程案例研究其中：Hmax——建筑群中最高建筑的高度（含地形）；H——建筑顶部与计算区域顶部的距离；L——计算区域长度；D——计算区域宽度。16%14.53%14%12%10.10%10%8.96%7.80%8%6%4.83%4.78%3.63%3.80%4%2.07%3.03%3.12%2.29%3.00%2%1.22%1.50%2.29%0.23%0.77%2.08%1.25%1.12%1.16%0.52%0.91%1.11%0%ABCDEFGHIJKLMNOPQRSTUVWX建筑覆盖区域与计算区域面积之比标准要求面积比图4.27建筑覆盖区域与计算区域面积的比值Fig.4.27Thespecificvalueofbuildingcoveredareaandcomputationaldomainarea表4.14中列出了本研究中24个工程案例的计算区域划分方法。图4.27中显示了实际面积比与标准要求面积比的差别。分析表4.14中及图4.27中的数据，发现如下问题：①模拟计算报告中给出的是计算区域的参数，并未标明入流方向、出流方向对应的长度，又由于同一个项目在不同季节工况下主导风向的差异，若采用相同的计算区域对多个工况进行模拟，只有通过增加计算区域中各方向长度的方法才能保证出流距离满足标准要求。以重庆市《绿色建筑设计标准》（报批稿）为例，来流方向5H，出流方向6H，侧面及高度方向4H，则需要以目标建筑为中心，半径为6H进行划分。此为判定标准，24个工程案例中不符合要求的项目共有9个，占比37.5%。②虽然国内相关标准中没有对单栋建筑和多栋建筑进行区分，但是实际应用中，大多项目案例是处在城市区域中的，因此可以当做多栋建筑进行处理。③按照北京市《绿色建筑设计标准》DB11938-2012和江苏省《绿色建筑设计77 重庆大学硕士学位论文标准》DGJ32/J173-2014中的要求，建筑覆盖区域与计算区域的面积比应当小于3%。表4.14中采用的建筑覆盖面积是项目用地面积，考虑到项目用地面积≥建筑覆盖面积，因此图4.27中的实际面积比存在一定的误差范围。综上所述，24个工程案例中不符合要求的项目共有6个，占比25%。综上所述，在模拟计算报告中，计算区域部分应当包含关于计算区域大小、建筑覆盖区域与计算区域面积比的详细信息，同时应当提供目标模拟建筑群中Hmax的取值，并给出用Hmax表示的计算区域表达式，以便评审人员进行计算区域选择合理性的判定。4.3.5湍流模型根据表3.7中的总结，各研究机构及相关标准规范中对湍流模型的要求基本一致，均建议采用k-ε模型。其中，北京市《绿色建筑设计标准》DB11938-2012要求在计算精度不高且只关注1.5m高度的流场分布时，可采用标准k-ε模型。根据表3.3中的内容可知，标准k-ε模型的优点是计算工作量小，适用于高雷诺数流动，缺点是不适用于低雷诺数的强旋流、弯曲壁面流动。结合本研究中的24个工程案例进行分析，采用标准k-ε模型进行模拟的项目有19个，采用RNGk-ε模型进行模拟的项目有5个。实际应用中，由于大多数工作人员采用商业化CFD软件，且建筑室外风环境模拟主要关注的是距地1.5m处的风场分布，所以采用标准k-ε模型的项目占比较大，这样的应用现状也基本符合标准规范中对湍流模型选择的要求。4.3.6网格生成网格生成的重点包括网格形式、网格数量、网格局部加密方法。根据3.4.5可知，目前现存的研究结论或是相关标准规范中并未明确规定采用何种形式的网格进行建筑室外风环境模拟，标准中主要关注目标模拟区域内网格数量的大小及重点观测区域内网格膨胀率的问题。①网格形式及网格数量本研究中的24个工程案例大多采用六面体结构化网格，仅有R项目采用四面体非结构化网格。由于大多数建筑体系为六面体结构，因此采用结构化网格更适合建筑的几何构造。此外，由于网格数量受到计算区域大小、网格膨胀率等多个因素的影响，不同的工程案例之间没有可比性，所以本研究中不对各项目网格数进行交叉对比分析。②网格局部加密及网格生成效果图网格局部加密方式是网格生成技术中的第三个关键点，应当通过网格效果图的方式展示网格生成情况，针对本研究中的计算模拟报告，提供网格生成效果图的项目共有19个，关于网格效果图主要存在以下几点问题：78 4CFD工程案例研究1）部分项目虽然提供了网格生成图，但是没有局部放大图，同时也没有对局部加密方式进行描述，无法判定网格局部加密方式是否符合标准要求，包括N项目（图4.28）、B项目、C项目、H项目、I项目、L项目、M项目、T项目等8个项目，占比33%。图4.28N项目网格效果图Fig.4.28ThegridofNproject2）部分项目提供的网格效果图够看出看出采用了局部加密方法，但是同样缺少放大图，无法判定是否符合重点观测区域的网格要求，包括O项目（图4.29）Q项目、W项目、G项目等4个项目，占比16%。图4.29O项目网格效果图Fig.4.29ThegridofOproject79 重庆大学硕士学位论文3）部分项目提供的网格效果图为俯视缩略图，只能看出横切面网格效果，包括U项目（图4.30）、A项目、K项目、J项目、S项目、V项目、X项目等7个项目，占比29%。图4.30U项目网格效果图Fig.4.30ThegridofUproject③网格独立性验证网格独立性检验方法，是指在保证网格质量的前提下通过逐步增加网格数量的方法确定3个及以上对比方案，通过对比不同方案的流场分布、不同网格条件下相同点的风速状况确定最终进行后续模拟计算的网格设置。下面以W项目为例，详细说明网格独立性研究的方法。W项目为多栋居住建筑群，目标模拟区域的室外风环境模拟各工况计算模型除边界条件设置不同以外，其它均一致，不影响网格划分。现选取工况4即夏季、过渡季平均风速工况进行网格独立性检验。网格独立性设置200万、230万、260万。在目标模拟区域周围随机选取20个观测点，位置如图4.31所示。80 4CFD工程案例研究图4.31W项目观测点位置图Fig.4.31TheobservationpointlocationofWproject1）流场分布图4.32、图4.33、图4.34分别为W项目室外风环境模拟设置200万、230万、260万网格模型1.5m高度处的风速矢量图。对比可见：200万、230万、260万网格条件下的风速矢量分布趋势基本一致。图4.32W项目室外1.5m高度处风速矢量图——200万网格Fig.4.32Thewindvelocityvectordiagramof1.5mdistancefromthegroundofWproject——2milliongrid81 重庆大学硕士学位论文图4.33W项目室外1.5m高度处风速矢量图——230万网格Fig.4.33Thewindvelocityvectordiagramof1.5mdistancefromthegroundofWproject——2.3milliongrid图4.34W项目室外1.5m高度处风速矢量图——260万网格Fig.4.34Thewindvelocityvectordiagramof1.5mdistancefromthegroundofWproject——2.6milliongrid2）网速对比各网格情况下设定的坐标点位置的风速值统计如表4.15所示。由表中数据可以看出，当网格由200万增大至230万时，模型中各点的风速差值比例都在±2%82 4CFD工程案例研究范围内；当网格由230万增大至260万时，模型中各点的风速差值比例也都在±1%的范围内。表4.15典型点的风速对比情况Table4.15Thevelocityofobservationpoins200~230万230~260万260万序号点坐标200万（m/s）230万（m/s）（%）（%）（m/s）点1200,540,1.54.430.844.46-0.174.46点2240,540,1.54.400.824.44-0.24.43点3280,540,1.54.410.754.44-0.184.44点4320,540,1.54.400.624.43-0.134.42点5360,540,1.54.310.54.33-0.044.33点6400,540,1.53.990.54.01-0.064.00点7440,540,1.53.410.663.43-0.263.42点8480,540,1.52.860.822.88-0.352.87点9520,540,1.52.391.012.41-0.522.40点10560,540,1.52.071.312.10-0.462.09点11600,540,1.51.951.181.97-0.791.96点12640,540,1.52.101.482.14-0.752.12点13680,540,1.52.540.932.56-0.552.55点14720,540,1.53.220.663.24-0.123.24点15760,540,1.53.660.743.68-0.023.68点16800,540,1.53.900.793.93-0.233.92点17840,540,1.54.170.694.20-0.164.19点18880,540,1.54.370.614.40-0.044.40点19920,540,1.54.410.974.46-0.064.45点20960,540,1.54.421.014.460.734.49根据图4.35，由于200万网格与230万网格的风速差值变化范围比230万网格与260万网格的风速差值变化范围大，且230万网格与260万网格的风速差值变化范围都在±1%的范围内，故选取其中230万网格的模型进行后续模拟计算。83 重庆大学硕士学位论文2.001.481.501.311.181.010.930.971.010.840.820.821.000.750.740.790.690.620.660.660.610.50.50.730.50-0.04-0.06-0.02-0.040.00-0.17-0.2-0.18-0.13-0.12-0.23-0.16-0.06-0.26-0.35-0.52-0.46-0.55-0.50-0.79-0.75-1.00200~230万（%）230~260万（%）图4.35W项目典型点的风速差值变化折线图Fig.4.35ThevelocitylindchartofobservationpoinsforWproject本研究的24个工程案例中共有12个项目进行了网格独立性验证，占比50%，国内的相关标准中并未对网格独立性研究提出明确要求，为了保证模拟结果的准确性，建议在日后的修订版中增加对网格独立性检验的要求。综上所述，在模拟计算报告中，网格生成部分应当包含关于网格形式、网格数量、网格局部加密方式及网格独立性检验的详细信息，在网格局部加密部分需要给出多角度网格生成效果图、重点模拟区域局部网格效果图，以便评审人员进行网格生成质量的判定。4.3.7收敛判定表3.7中总结出收敛判定的标准为连续性方程或者指定观察点均方根残差小于0.01%，或指定观察点或区域的值不再变化。商用CFD软件的后处理模块可以提供模拟收敛曲线图帮助工作人员进行模拟收敛判定。本研究中的24个工程案例共有18个项目的模拟计算报告中包含了收敛曲线图、收敛判定标准及迭代步数，详细统计情况如表4.16所示。表4.16收敛判定情况表Table4.16Theiterativeconvergencecriteria编号收敛步数收敛判定标准-3连续性方程与动量方程残差为1.0E以下，能量方程残差为1.0A1000-6E以下4连续性方程与动量方程残差为1.0E-以下，能量方程残差为1.0B2000-7E以下84 4CFD工程案例研究编号收敛步数收敛判定标准-4连续性方程与动量方程残差为1.0E以下，能量方程残差为1.0C2000-7E以下D无无E无无F无无-4连续性方程与动量方程残差为1.0E以下，能量方程残差为1.0G2000-7E以下4连续性方程与动量方程残差为1.0E-以下，能量方程残差为1.0H2000-7E以下4连续性方程与动量方程残差为1.0E-以下，能量方程残差为1.0I2000-7E以下J无无K1000连续方程、动量方程迭代终止残差设置为0.01%4连续性方程与动量方程残差为1.0E-以下，能量方程残差为1.0L500-7E以下M无无4连续性方程与动量方程残差为1.0E-以下，能量方程残差为1.0N2000-7E以下4连续性方程与动量方程残差为1.0E-以下，能量方程残差为1.0O2000-7E以下4连续性方程与动量方程残差为1.0E-以下，能量方程残差为1.0P2000-7E以下4连续性方程与动量方程残差为1.0E-以下，能量方程残差为1.0Q1000-7E以下R无无S1000连续方程、动量方程迭代终止残差设置为0.01%4连续性方程与动量方程残差为1.0E-以下，能量方程残差为1.0T2000-7E以下U1000连续方程、动量方程迭代终止残差设置为0.01%V1000连续方程、动量方程迭代终止残差设置为0.01%4连续性方程与动量方程残差为1.0E-以下，能量方程残差为1.0W2000-7E以下X1000连续方程、动量方程迭代终止残差设置为0.01%85 重庆大学硕士学位论文综上所述，在模拟计算报告中，收敛判定部分应当包含关于迭代步数、收敛判定标准的详细信息，并提供收敛曲线图，以便评审人员进行模拟收敛的判定。4.4模拟报告模板基于《绿色建筑评价标准》GB50378-2014中对室外风环境的评价条文，结合前文中对24个工程案例的应用分析，提出CFD模拟计算报告模板，根据CFD应用要点，该计算报告分为四个主要组成部分，分别为模拟概述、技术方案、结果分析及达标判定，下面对各部分内容进行详细叙述。第一分部——模拟概述：①项目概况1）内容要求：针对参评项目简介项目概况，具体包括项目所在地简介，地理位置周边环境详述、风资源简介、气候区简介；项目占地面积、建筑面积、项目建筑类型、建筑高度、参评建筑范围等。2）附图表：项目设计效果图，项目总平面图（标出参评建筑），项目所在地地形图。②评价说明1）内容要求：写明本模拟报告针对《绿色建筑评价标准》GB50378中哪一条要求进行分析，并详细列出相关条文项，总结出评价指标，针对建筑室外风环境评价，其评价指标为：a.建筑周围人行区距地1.5m高处，风速V<5m/s；b.风速放大系数小于2；c.夏季、过渡季建筑前后压差大于1.5Pa；d.冬季建筑前后压差小于5Pa；e.避免某些区域形成无风区和涡旋区影响室外散热和污染物消散。③参考依据1）内容要求：列出本模拟报告中的主要参考资料，包括相关标准规范、数据资料集等。第二分部——技术方案：本部分主要介绍该案例中的CFD模拟方法，具体包括以下几个内容：①模拟软件：简介本工程案例中采用的CFD商用模拟软件。②数值方法：包括离散化方法及差分格式。③湍流模型：列出本次模拟采用的控制方程，并解释采用该种湍流模型的原86 4CFD工程案例研究因。④边界条件：包括进（出）口边界条件、顶部及侧向边界条件、地面及壁面边界条件。其中进口边界条件需要给出是否采用梯度风进行分析，并给出所选的地面粗糙度系数及原因。⑤物理模型：物理模型简化主要从三个方面进行介绍，具体包括参评建筑周围建筑模型再现范围、项目所在地地形模型以及几何模型建筑与否，详细介绍是否进行地形模型再现及其原因，几何模型简化与否及其原因。⑥计算区域：给出参评项目中最高建筑高度取值Hmax，将计算区域尺寸用Hmax表示，表示形成为L×D×H，并给出建筑覆盖面积与计算区域面积的比值。⑦网格生成：包括采用的网格形式、网格数量、局部加密方式及膨胀比。⑧气象参数及模拟工况：包括气象参数数据库，典型季节最大风频风向、平均风速、10%大风风速；模拟工况分类方式及原因，针对不同的条文要求给出各模拟工况对应的条文内容，并详细列出各工况对应的模拟风速及风向。⑨收敛判定：包括迭代步数及收敛判定标准。第二部分由于内容较多，为了详细客观的给出模拟技术方案，建议将主要技术要点集结成表，并配图说明，具体附图应包含：①物理模型简化图；②特殊构造物理模型局部放大图（可选）；③地形再现剖面图（可选）；④参评建筑表面网格效果图；⑤计算区域内网格效果图；⑥重点模拟区域网格效果图；⑦收敛曲线图。具体附表应包含：①技术路线关键信息列表；②典型气象年气象数据列表；③模拟工况列表。第三部分——结果分析以模拟工况为基础进行分类，按照流场分布、风速及风压三个内容进行分析，具体内容包括：①流场：根据距地1.5m高度风速矢量图判断流场中是否存在涡流区和无风区，如果存在需要在图中进行标注；87 重庆大学硕士学位论文②风速：列出模拟区域内距地1.5m高度处平均风速、最大风速计风速放大系数；③风压：通过建筑表面风压云图及模拟结果给出建筑前后表面风压差取值范围。第三部分内容需要结合模拟图表进行详细分析，具体附图及附表包括：①距地1.5m高度风速矢量图（标出涡流区、无风区）；②距地1.5m高风速云图；③距地1.5m高风速放大系数云图；④距地1.5m高度风压云图；⑤建筑迎风侧风压图；⑥建筑背风侧风压图。第四部分——达标判定结合第三部分模拟结果对该参评项目的达标结果进行综合判定，在本部分内容需要统一各模拟结果，并简洁清晰的列出各工况的达标情况。附录——网格独立性验证本部分内容是网格生成不可缺少的重要组成，需要根据前文中网格生成技术方法，结合网格独立性验证工作介绍不同网格数量的对方方案，具体内容如4.4.6所示。结合上文中的梳理分析，将建筑室外风环境CFD模拟计算报告中应包含的内容整理如表4.17中所示。88 4CFD工程案例研究表4.17模拟报告模板Table4.17CFDsimulationreporttemplate标题主要内容/指标附图附表建筑类型公共建筑/居住建筑项目基本信息用地面积①项目设计效果图项目概况建筑高度②项目总平面图（标出参评建筑）无地理位置周围建筑情况③项目所在地地形图项目所在地基本信息地形地貌参考依据包括模拟报告中引用的所有标准规范名称标准条文内容评价依据无无评价依据主要判定指标条文达标判定条件分析方法模拟软件简介①技术路线①物理模型简化图差分格式关键信息列数值方法②特殊构造物理模型局部放大图（可选）离散化方法表③地形再现剖面图（可选）湍流模型控制方程②典型气象技术路线④参评建筑表面网格效果图是否采用梯度风年气象数据进口边界⑤计算区域内网格效果图地面粗糙度指数列表边界条件⑥重点模拟区域网格效果图出口边界③模拟工况⑦收敛曲线图顶部及侧向边界列表89 重庆大学硕士学位论文标题主要内容/指标附图附表地面及壁面边界周围建筑物情况物理模型是否考虑地形影响是/否（原因）是否存在几何简化是/否（原因）物理模型中的Hmax计算区域L×D×H（用Hmax表示）建筑覆盖面积与计算区域面积的比值网格形式①技术路线网格生成网格数量①物理模型简化图关键信息列网格局部加密方式重点模拟区域网格数②特殊构造物理模型局部放大图（可选）表来源数据库③地形再现剖面图（可选）②典型气象典型气象年气象数风向频率④参评建筑表面网格效果图气象参数年气象数据据平均风速⑤计算区域内网格效果图列表（典型季节）10%大风风速⑥重点模拟区域网格效果图③模拟工况基本情况⑦收敛曲线图列表风向模拟工况风速评价内容收敛判定迭代步数90 4CFD工程案例研究标题主要内容/指标附图附表判定标准流场是否存在涡流区、无风区①距地1.5m高度风速矢量图（标出涡流区、无风区）模拟结果初始风速②距地1.5m高风速云图（标出涡流区、无风区分析风速最大风速③距地1.5m高风速放大系数云图（各模拟无风速放大系数④距地1.5m高度风压云图工况单独⑤建筑迎风侧风压图分析）风压前后风压差⑥建筑背风侧风压图对比方案①流场对比图（3个）①观测点风附录网格独立性验证流场对比②观测点位置图③观测点风速值相对变化比列表速值列表风速对比4.5本章小结本章根据对24个实际工程案例中室外风环境CFD应用效果的统计调查及分析工作，从工程应用的角度，总结出CFD在绿色建筑室外风环境模拟及评价中的应用现状，并结合第3章中对标准规范的总结，提出了模拟报告中应当包含的技术关键点信息，并总结出目前标准中相关内容的不足及改进意见。91 重庆大学硕士学位论文92 5CFD典型模型研究5CFD典型模型研究在第四章中，笔者基于24个实际工程案例，根据地域分布、地形地貌种类及建筑布局进行分类梳理，并以气象参数选择、模拟工况确定、物理模型简化等CFD技术应用点为基础，对实际工程案例的CFD应用现状进行总结。结合第三章的内容分析，重庆市《绿色建筑设计标准》（报批稿）、北京市《绿色建筑设计标准》DB11938-2012和江苏省《绿色建筑设计标准》DGJ32/J173-2014中对建筑室外风环境CFD模拟的相关要求中，出现差异的内容为湍流模型的选择以及物理模型的简化方法。第一，北京市《绿色建筑设计标准》DB11938-2012中提出在计算精度不高且只关注1.5m高度的流场分布时，可采用标准k-ε模型，但是其他标准中建议采用改进后k-ε模型。第二，重庆市《绿色建筑设计标准》（报批稿）中特别提出了地形对模拟结果的影响，在确定计算区域的大小以及物理建模中都不能忽视，但是其他标准并没有对地形提出明确要求。因此，本章节中采用构造典型模型的方式，针对以上两个问题进行重点分析。5.1典型模型的构建原理及方案本模型设定为重庆地区某公共建筑群体，建筑布局、物理模型参数均按照重庆地区相关标准要求进行设置。5.1.1建筑布局根据2.1.3中对典型建筑布局的介绍，本模型中采用四种布局方式进行模拟分析，分别为行列式、错列式、斜列式和围合式和自由式。5.1.2物理模型①建筑高度及尺寸建筑群中采用对不同高度的建筑进行阶梯式布置的方法，不仅在夏季可以加强自然通风，而且在冬季可以避免寒冷的北风，所以在本模拟中，考虑到建筑高度梯度理念，设置前后排建筑高度比为0.8，以24m的高度为标准，建筑高度分别为19.2m、24m和30m。此外，根据重庆市《绿色建筑评价标准》DBJ50/T-066-2014对4.2.6项的条文说明：建筑物周围人行区距地1.5m高处风速V<5m/s是不影响人们正常室外活动的基本要求。一般来说，经过迎风区第一排建筑的阻挡之后，绝大多数板式建筑的迎风面与背风面（或主要开窗）表面平均风压系数差约为0.2~0.4，风速3.5~5m/s，[53]因此对应的表面风压差不会超过5Pa。根据上文所述，本模拟中均采用板式建筑进行模拟。板式建筑又称条形建筑，指建筑平面外廓基本成矩形，其长边与短边93 重庆大学硕士学位论文之比大于或等于2的建筑，并且短边长度小于或等于16米。本模拟中，采用建筑长边为24m，短边为8m的板式建筑。②建筑间距[54]根据《重庆市城市规划管理技术规定2012》规定：非居住建筑半间距按照以下标准执行：1）建筑计算高度24米及以下的非居住建筑，主采光面半间距为计算高度的0.5倍，且不小于4米；山墙面半间距为4米；2）建筑计算高度大于24米、小于或者等于60米的非居住建筑，面宽小于或者等于50米的，半间距为12米；面宽大于50米、小于或者等于60米的，半间距为13米；面宽大于60米的，半间距为计算高度的0.5倍，且不小于15米；根据《高层民用建筑设计防火规范》中对与防火间距的规定：高层建筑之间及高层建筑与其它民用建筑之间的防火间距，不应小于表5.1中的规定。本模拟中，建筑前后间距为26m，左右间距13m。表5.1防火间距Table5.1Thefireseparationdistance其他民用建筑建筑类别高层建筑裙房耐火等级一、二级三级四级高层建筑13991114裙房96679综上所述，本模拟中各布局中建筑模型参数设置如表5.2所示：表5.2物理模型参数Table5.2Thephysicalmodelparameters建筑布局建筑高度m建筑尺寸m建筑前后间距m建筑左右间距m第一排24行列式24×82613第二排30第一排24错列式24×82613第二排30第一排19.2斜列式第二排2424×82613第三排30围合式3024×8521394 5CFD典型模型研究具体布局如以下组图所示：A行列式布局b错列式布局C斜列式布局D围合式布局图5.1典型建筑布局Fig.5.1Thetypicalarchitecturallayout③地理高差考虑到不同的地形地貌对CFD模拟结果的影响，本模型中设置平地与山地两种不同的地形进行对比。根据不同建筑布局计算区域的大小选取重庆地区典型海拔高差进行模拟（以下简称“山地”建筑），具体高度差如图5.2~5.5所示。图5.2行列式计算区域海拔差Fig.5.2Theelebationdifferenceofjuxtaposition95 重庆大学硕士学位论文图5.3错列式计算区域海拔差Fig.5.3Theelebationdifferenceofstaggeredlayout图5.4斜列式计算区域海拔差Fig.5.4Theelebationdifferenceofstaggeredlayoutofdiagonallayout图5.5围合式计算区域海拔差Fig.5.5Theelebationdifferenceofstaggeredlayoutofencloselayout96 5CFD典型模型研究④建筑朝向本模拟中，四种布局均采用南北朝向布局。由于行列式、错列式和围合式布局都是对称的，所以不再考虑不同朝向对室外风环境的影响。但是，由于斜列式是不对称布局，本研究中采用两种不同的朝向进行模拟，具体情况如图5.6所示（以夏季风向为例，蓝色箭头表示北向，红色箭头表示风向）：图5.6两种斜列式朝向Fig.5.6Twokinsorientationofdiagonallayout5.2典型模型CFD应用方案5.2.1CFD应用软件及湍流模型根据第四章研究显示，目前我国绿色建筑室外风环境CFD模拟常用的商用软件为Phoenics和AirPak，因此，本研究中同样采用这两种软件进行模拟，其中Phoenics为主要模拟工具，包含以上所述的所有物理模型；Airpak用于辅助对比，仅对平地地形的四种建筑布局进行模拟。由于本模拟关注建筑室外人行区域距地1.5m处的风环境，根据3.4.4中的分析，本研究中采用两种不同的湍流模型进行分析，Phoenics采用标准k-ε模型，Airpak中采用RNGk-ε模型。5.2.2气象参数及模拟工况本模型采用重庆市《绿色建筑设计标准》（报批稿）中推荐的三种不同尺度的[50]气象参数进行模拟，数据来源分别为《中国建筑热环境分析专用气象数据集》[51]（以下简称“数据集”），《民用建筑供暖通风与空气调节设计规范》GB50736-2012（以下简称“设计规范”，以及重庆大学城市建设与环境工程学院楼（以下简称“城环”）所在地屋顶气象站实测多年的逐时气象数据。由于设计规范和城环数据库中均为包含各季节10%大风参数，为了进行对比，本模型中仅选择平均风速工况进97 重庆大学硕士学位论文行分析。三种不同数据库的气象参数如表5.3中所示。表5.3重庆地区气象参数表Table5.3ThemeteorologicalparameterofChongqing数据集设计规范城环气象参数冬季夏季过渡季冬季夏季冬季夏季平均风速m/s0.711.8121.11.50.330.46主导风向NWNWNNWNNEENEWW结合表5.3中的数据，确定本模型中三种气象参数的模拟工况如下：表5.4模拟工况Table5.4Thesimulationcondition数据集设计规范城环工况风向风速风向风速风向风速工况一NW1.81NNE1.1W0.33工况二NNW2ENE1.5W0.465.2.3边界条件①来流边界条件建筑来流方向风速为均匀分布，不同高度平面上的来流风速大小沿建筑高度方向按梯度递增。按照前文中式3.2进行计算，地面粗糙度指数取0.22。②出流边界条件建筑出流面上空气流动按湍流充分发展考虑，边界条件按自由出口设定。③壁面条件建筑表面边界：标准壁面方程，且设置为光滑壁面；地面边界：标准壁面方程，且考虑地面粗糙度。④侧向及顶部边界顶部边界：与来流边界上边界速度、湍流动能、和湍流耗散能数值相同；𝜕𝜕侧向边界：设置参数梯度为0（(𝑢𝑢,𝑣𝑣,𝑤𝑤,𝑘𝑘,𝜀𝜀)=0）。𝜕𝜕𝜕𝜕5.2.4计算网格由于本模型采用板式建筑，不存在特殊几何外形，因此本模拟中采用六面体结构化网格，对建筑周围区域及距地1.5m处进行局部加密处理。所有计算模型的98 5CFD典型模型研究网格数量均在150~200万之间。5.2.5计算区域根据表3.7中所示，重庆市《绿色建筑设计标准》（报批稿）中对计算区域的要求为：以模型边界为基准水平向外扩大计算区域，要求来风方向不小于5H，下风向不小于6H，其他方向不小于4H。计算区域高度不小于4H。H为分析模型整体高度（含地形）。本模拟中，考虑到不同建筑布局的尺寸差异，设置了不同的计算区域，具体如表5.5所示，其中，H表示平地地形的最高建筑高度，H’表示山地地形的最高建筑高度（包含地形）。表5.5不同建筑布局计算区域参数Table5.5Thecomputationaldomainofdifferentlayout计算区域m建筑覆盖区域占计建筑布局地形L×D×H长宽高算区域面积比平地39128212013H×9H×4H2.30%行列式山地72152221012H'×9H'×4H'0.68%平地40328212013H×9H×4H2.70%错列式山地78856222512H'×9H'×4H'0.69%平地42831612014H×11H×4H5.50%斜列式山地86863624012H'×9H'×4H'1.35%平地43333212014H×11H×4H6.59%围合式山地98373227012H'×9H'×4H'1.32%5.2.6收敛判定重庆市《绿色建筑设计标准》（报批稿）中要求计算应在求解充分收敛的情况下停止，即确定连续性方程或者指定观察点均方根残差小于0.01%。本模拟中，Phoenics中设置计算域计算步数为3000次，Airpak中设置计算域计算步数为2000次，以行列式布局（平地）中采用城环数据库的两种工况为例，收敛曲线如图5.7~5.10所示。99 重庆大学硕士学位论文图5.7Phoenics工况一收敛曲线图Fig.5.7TheconbergencecurvesofconditionNo.1Phoenics图5.8Phoenics工况二收敛曲线图Fig.5.8TheconbergencecurvesofconditionNo.2Phoenics100 5CFD典型模型研究图5.9Airpak工况一收敛曲线图Fig.5.9TheconbergencecurvesofconditionNo.1Airpak图5.10Airpak工况二收敛曲线图Fig.5.10TheconbergencecurvesofconditionNo.2Airpak综上所述，为了更加直观的对比本模拟的各项参数，现将针对典型模型的模拟参数以表5.6的形式列出。表5.6模拟参数Table5.6Thesimulationparameters模拟软件AirpakPheonics行列式行列式围合式围合式建筑布局错列式错列式斜列式斜列式101 重庆大学硕士学位论文模拟软件AirpakPheonics建筑高度高度梯度高度梯度建筑尺寸24×824×8平地建筑地形平地山地标准集设计规范气候参数小尺度数据库小尺度数据库形式六面体结构化网格六面体结构化网格网格生成数量120~150万150~200万湍流模型RNGk-ε模型标准k-ε模型数值方法二阶迎风格式迭代步数200030005.3CFD关键技术点对模拟应用效果的影响5.3.1湍流模型对模拟应用效果的影响现选取平原地形中四种布局的工况一（城环气象参数）模拟结果进行分析，其中Airpak软件采用RNGk-ε模型进行模拟，Phoenics软件采用标准k-ε模型进行模拟，其他应用参数如边界条件设置、网格划分、计算区域等内容都保持一致。在目标模拟区域周围随机选取20个观测点，位置如图5.11所示。102 5CFD典型模型研究图5.11观测点位置图Fig.5.11Theobservationpointlocation①流场以行列式为例对不同湍流模型的模拟结果进行分析，如图5.12、5.13所示。从图中可以看出，模拟工况相同的条件下，采用RNGk-ε模型进行模拟时，前后排建筑中间形成了一定范围的涡流区；而采用标准k-ε模型进行模拟时，涡流区的位置如图上红圈标注所示。其他位置流场分布基本保持一致。图5.12行列式距地1.5m风速矢量图——AirpakFig.5.12Thewindvelocityvectordiagramof1.5mdistancefromthegroundofjuxtaposition——Airpak103 重庆大学硕士学位论文图5.13行列式距地1.5m风速矢量图——PhoenicsFig.5.13Thewindvelocityvectordiagramof1.5mdistancefromthegroundofjuxtaposition——Phoenics②风速各建筑布局模型中两种湍流模型情况下设定的坐标点位置的风速值统计如5.11所示。四种布局的相对变化比如图5.14所示。由表中数据可以看出，模型中各点的风速差值比例都在±1%的范围内，说明在建筑室外距地1.5m处，两种不同的湍流模型对风速模拟结果影响不明显，基本符合北京市《绿色建筑设计标准》DB11938-2012中对湍流模型的要求。表5.7行列式观测点风速值及相对变化比Table5.7Thevelocityandrelativeratioofjuxtaposition序号点坐标Airpak（m/s）Phoenics（m/s）相对变化比（%）点1245,177,1.50.65410.65620.31点2235,177,1.50.65960.66240.43点3225,177,1.50.66290.66610.48点4215,177,1.50.65950.66250.45点5205,177,1.50.63660.63890.36点6195,177,1.50.59850.60030.3点7185,177,1.50.55790.55940.27点8175,177,1.50.52400.52540.28点9165,177,1.50.49570.49730.32104 5CFD典型模型研究序号点坐标Airpak（m/s）Phoenics（m/s）相对变化比（%）点10155,177,1.50.46960.47150.39点11145,177,1.50.83990.84280.35点12145,167,1.50.72100.7171-0.54点13145,157,1.50.72670.7226-0.57点14145,147,1.50.80690.80700.01点15145,137,1.50.90680.91170.54点16145,127,1.50.92040.92540.54点17145,117,1.50.73530.73630.13点18145,107,1.50.62170.62190.03点19145,97,1.50.64290.6428-0.01点20145,87,1.50.62350.6231-0.07表5.8错列式观测点风速指及相对变化比Table5.8Thevelocityandrelativeratioofstaggeredlayout序号点坐标Airpak（m/s）Phoenics（m/s）相对变化比（%）点1245,182,1.50.61560.61890.54点2235,182,1.50.61080.61420.56点3225,182,1.50.60770.61100.53点4215,182,1.50.56080.56340.47点5205,182,1.50.51000.51200.39点6195,182,1.50.31100.31210.35点7185,182,1.50.40430.40550.31点8175,182,1.50.48040.48180.28点9165,182,1.50.52990.53150.29点10155,182,1.50.75210.75270.08点11145,182,1.50.73590.73620.05点12145,172,1.50.52550.52550点13145,162,1.50.52740.5272-0.05点14145,152,1.50.54550.5453-0.05点15145,142,1.50.47310.47310点16145,132,1.50.49690.49710.03点17145,122,1.50.51180.51180.01点18145,112,1.50.63170.63210.06点19145,102,1.50.55600.55680.13点20145,92,1.50.58430.58470.07105 重庆大学硕士学位论文表5.9围合式观测点风速指及相对变化比Table5.9Thevelocityandrelativeratioofencloselayout序号点坐标Airpak（m/s）Phoenics（m/s）相对变化比（%）点1245,232,1.50.49830.50050.44点2235,232,1.50.50380.50640.51点3225,232,1.50.50790.51070.55点4215,232,1.50.50640.50950.6点5205,232,1.50.49080.49440.73点6195,232,1.50.63160.63660.78点7185,232,1.50.53030.53400.69点8175,232,1.50.70900.71320.59点9165,232,1.50.83740.84420.8点10155,232,1.50.90930.91590.73点11145,232,1.51.19681.20200.43点12145,222,1.50.91310.91570.28点13145,212,1.50.71110.71320.3点14145,202,1.50.89810.90170.4点15145,192,1.50.75980.76310.44点16145,182,1.50.63860.64050.29点17145,172,1.50.62970.6291-0.09点18145,162,1.50.52310.5208-0.44点19145,152,1.50.50460.5009-0.73点20145,142,1.50.49340.4896-0.77表5.10斜列式观测点风速指及相对变化比Table5.10Thevelocityandrelativeratioofdiagonallayout序号点坐标Airpak（m/s）Phoenics（m/s）相对变化比（%）点1245,216,1.50.41680.41820.33点2235,216,1.50.41180.41520.81点3225,216,1.50.51960.52390.81点4215,216,1.50.40180.40260.22点5205,216,1.50.52040.52150.21点6195,216,1.50.56570.56710.24点7185,216,1.50.59610.59720.18106 5CFD典型模型研究序号点坐标Airpak（m/s）Phoenics（m/s）相对变化比（%）点8175,216,1.50.63420.63540.19点9165,216,1.50.67050.67160.16点10155,216,1.50.70200.70290.13点11145,216,1.50.73250.73300.08点12145,206,1.50.76340.76390.06点13145,196,1.50.81170.81220.06点14145,186,1.50.68760.68790.03点15145,176,1.50.69260.69280.03点16145,166,1.50.79460.79500.04点17145,156,1.50.69490.69500.02点18145,146,1.50.69410.6939-0.02点19145,136,1.50.69240.6921-0.04点20145,126,1.50.69090.6905-0.061.000.800.600.400.200.00-0.20-0.40-0.60-0.80-1.00行列式错列式围合式斜列式图5.14四种布局观测点风速相对变化比Fig.5.14Thevelocityrelativechangeratiooffourkindsoflayoutsobservationpoints5.3.2物理模型对模拟应用效果的影响为了研究地形对风环境模拟结果的影响，本模型中针对四种建筑布局分别设置了平原地形和山地地形，以流场和风速为分析指标进行分析。现选取Phoenics软件中工况一（设计规范为气象数据库）的模拟结果进行分析。①流场107 重庆大学硕士学位论文图5.15错列式冬季距地1.5m风速矢量图——山地Fig.5.15Thewindvelocityvectordiagramof1.5mdistancefromthegroundofstaggeredlayout——mountain图5.16错列式冬季距地1.5m风速矢量图——平地Fig.5.16Thewindvelocityvectordiagramof1.5mdistancefromthegroundofstaggered——flatground从上图中可以看出，平地地形的流场中在第二排建筑下风向存在一定范围的涡流区，而山地地形的流场中没有出现涡流区，这是由于来流风向为NNE，对于108 5CFD典型模型研究山地地形，空气气流存在爬坡现象，导致风速降低，在流场内的分布与平地地形相比更加均匀。图5.17行列式冬季距地1.5m风速矢量图——山地Fig.5.17Thewindvelocityvectordiagramof1.5mdistancefromthegroundofjuxtaposition——mountain图5.18行列式冬季距地1.5m风速矢量图——平地Fig.5.18Thewindvelocityvectordiagramof1.5mdistancefromthegroundofjuxtaposition——flatground109 重庆大学硕士学位论文图5.19围合式冬季距地1.5m风速矢量图——山地Fig.5.19Thewindvelocityvectordiagramof1.5mdistancefromthegroundofencloselayout——mountain图5.20围合式冬季距地1.5m风速矢量图——平地Fig.5.20Thewindvelocityvectordiagramof1.5mdistancefromthegroundofencloselayout——flatground110 5CFD典型模型研究图5.21斜列式冬季距地1.5m风速矢量图——山地Fig.5.21Thewindvelocityvectordiagramof1.5mdistancefromthegroundofdiagonallayout——mountain图5.22斜列式冬季距地1.5m风速矢量图——平地Fig.5.22Thewindvelocityvectordiagramof1.5mdistancefromthegroundofdiagonallayout——flatground行列式、斜列式和围合式布局的流场分布呈现了与错列式类似的规律，由此可以看出，不同地形的物理模型对模拟结果有着明显的影响，尤其是当来流风存在爬坡或是下坡情况是，影响效果更加明显。①风速根据《绿色建筑评价标准》GB50378-2014，关于风速的评价指标包括最大风111 重庆大学硕士学位论文速、平均风速和风速放大系数。最大风速指目标模拟区域内的风速最大值，平均风速指目标模拟区域内的风速平均值，风速放大系数指建筑物周围离地面高1.5m处风速与开阔地面同高度风速之比，本研究中采用场内1.5m处平均风速与环境风速之比作为室外风速放大系数。表5.11中列出了四种建筑布局在两种不同地形下的风速指标。以表中数据为基础，计算出两种地形的各评价指标相对变化比，如图5.23所示。表5.11风速对比表Table5.11Thecomparisionofvelocity参数平均风速（m/s）最大风速（m/s）室外风速放大系数地形平坦山地平坦山地平坦山地行列式0.901.191.712.340.821.08错列式0.881.281.401.940.801.16斜列式0.901.201.121.450.821.09围合式1.081.341.451.880.981.2231.25%31.03%31.00%29.00%26.80%27.00%28.50%25.00%24.37%25.00%24.77%23.33%23.00%24.07%22.76%21.00%19.40%19.00%19.67%行列式错列式斜列式围合式平均风速最大风速室外风速放大系数图5.23不同地形风速相对变化比Fig.5.23Thevelocityrelativechangeratioofdifferentlayouts根据图5.23b可以看出，平均风速和风速放大系数的变化趋势保持一致，这是因为风速放大系数的取值由平均风速和环境风速决定，此处个布局环境风速值一致，所以平均风速和风速放大系数的相对变化比呈现图上所示的规律，其变化范围为19%~32%，说明地形对风速值的影响显著，在物理建模的过程中不能忽略。112 5CFD典型模型研究5.4本章小结本章通过对典型建筑模型进行室外风环境CFD模拟，采用多方案对比的研究方法，针对前文中存在争议的湍流模型选择和物理模型简化问题进行研究，得出以下结论：①当重点模拟区域位于建筑室外距地1.5m处时，采用标准k-ε模型和RNGk-ε模型分别进行模拟，求解结果中，建筑室外距地1.5m处空气流场分布出现细微差别，相比于标准k-ε模型，采用RNGk-ε模型能够更加细腻的模拟出风场中的涡流区。②通过对典型模型周围的20个观测点风速值进行对比分析，采用标准k-ε模型和RNGk-ε模型的风速差值比例都在±1%的范围内，说明在建筑室外距地1.5m处，两种不同的湍流模型对风速模拟结果影响不明显。③不同的地形明显影响建筑室外风环境的流场分布，其影响效果与来流风速、风向有关，当来流风存在爬坡或下坡情况时，这种影响效果更加显著。113 重庆大学硕士学位论文114 6结论与展望6结论与展望6.1主要结论本文首先对建筑室外风环境形成机理及影响因素进行了理论分析，并将国内外风环境评价方法进行对比总结，梳理出我国绿色建筑室外风环境评价指标。然后从工程应用的角度梳理总结了计算流体力学的解析方法，对计算流体力学中的关键技术点进行分析，并对比总结了国外先进研究机构及国内部分省市标准规范中对CFD在建筑室外风环境应用中的指导要求。总结发现，目前现有的CFD室外风环境应用指导要求中，关于差分格式、边界条件和收敛判定的内容基本一致；关于网格生成和计算区域的内容原则上一致，仅在参考指标取值范围上存在微小差异，考虑到各国家研究机构及不同地区标准规范的地域差异性，可以认为对于网格生成和计算区域的要求内容基本一致；关于湍流模型选择和物理模型简化的要求差异明显，北京市《绿色建筑设计标准》DB11938-2012中提出了关于标准k-ε模型的适用条件，重庆市《绿色建筑设计标准》（报批稿）中提出了关于地形再现的具体要求。在此基础上，对24个我国绿色建筑评价标识项目进行CFD应用效果分析，总结出我国绿色建筑室外风环境CFD模拟评价应用现状，并与相关标准中CFD应用指导要求进行对比，提出了部分技术关键点的修改意见，具体包括：①建议地方标准中提供出当地气象参数数据，数据内容应包括典型季节（夏季、冬季及过渡季）风向频率、平均风速、10%大风风速，并明确模拟工况分类方式；②明确物理模型构造中地形、地貌及建筑复杂几何外形的简化要求；明确物理模型再现时参评建筑周围建筑的选取范围；③由于不同气象参数下的来流风向不确定，建议在计算区域选取的要求中取消来流方向和去流方向的距离差别，统一以去流方向的距离为半径进行划分。除此之外，基于对实际工程案例的CFD应用分析，总结出适用于我国绿色建筑室外风环境评价的CFD模拟计算报告模板。最后通过构建典型建筑模型，采用多方案对比的研究方法，对湍流模型选择和物理模型简化的问题进行了应用效果分析，并得出以下结论：①当重点模拟区域位于建筑室外距地1.5m处时，采用标准k-ε模型和RNGk-ε模型分别进行模拟，求解结果中，建筑室外距地1.5m处空气流场分布出现细微差别，相比于标准k-ε模型，采用RNGk-ε模型能够更加细腻的模拟出风场中的涡流区。115 重庆大学硕士学位论文②通过对典型模型周围的20个观测点风速值进行对比分析，采用标准k-ε模型和RNGk-ε模型的风速差值比例都在±1%的范围内，说明在建筑室外距地1.5m处，两种不同的湍流模型对风速模拟结果影响不明显。③不同的地形明显影响建筑室外风环境的流场分布，其影响效果与来流风速、风向有关，当来流风存在爬坡或下坡情况时，这种影响效果更加显著。6.2展望本文对CFD在建筑室外风环境模拟中的应用方法进行了研究，由于影响CFD应用效果的因素众多，仅从工程应用的角度，结合现有标准中对CFD应用的要求，基于多个实际绿色建筑项目案例总结出了我国绿色建筑室外风环境CFD模拟的应用现状。但是，由于本人学识、研究时间及研究条件的限制，本研究中没有从理论分析的角度对CFD应用中的全部影响因素做出更深入的研究，在这一点上，希望后期的研究中可以更加严谨和系统的进行分析考证，提出适用于我国绿色建筑室外风环境CFD模拟的应用体系。此外，本文采用构建典型建筑模型的方法，对湍流模型的选择以及地形模型再现问题进行了多方案对比分析，由于本研究中采用的是重庆地区气象参数，且地形构造的分类种类有限，对于其他地区的工程案例是否具有结论适宜性还有待研究论证。116 致谢致谢论文的完成意味着三年研究生生涯的结束，同时也预示着七年重大路即将走向终点，在这个特殊的时刻，心中百感交集，过去的种种往事历历在目，欢乐与悲伤、收获与磨练充满了我的学生时代，在这条道路上遇到的每个人、每件事都值得我去铭记、去感恩。感谢我的导师丁勇教授，我的学术成果离不开您的指导与帮助，丁老师对学术的高要求是我在学术上进步的动力；更要感谢的是导师对我在人生上的引导与鼓励，您的每一次谆谆教诲教会了我为人处世的方法、认真工作的态度、积极进取的精神，我认为这是丁老师在学术领域以外赠与我的最宝贵的礼物。感谢在北京实习期间中国城市科学研究会绿色建筑研究中心李丛笑主任、郭振伟部长对我的指引与关照，感谢住建部《绿色建筑效果后评估与调研》课题组对本论文的支持，感谢中国建筑科学研究院建筑环境与节能研究院孟冲主任对我的指导与提携，感谢在实习期间石莹师姐对我的帮助。感谢可持续建筑环境与生态研究团队中的每一位老师、同学，感谢李楠老师、高亚峰老师、喻伟老师对我的指导，感谢王晗博士、王春博士对我的帮助，是这样一个庞大的家庭，让我接触到了更加多彩的学术生活，给予我更加广阔的发展平台与视野。感谢蒲清平书记、王岳川老师、田雯老师对我在党支部工作中的指导与帮助。感谢陪伴我走过三年的各位同门，感谢续璐、魏嘉、原艺昕在三年研究生生活中的支持，感谢阎亦岑、于晓敏、刘垚等师弟师妹对我的帮助，更加感谢七年同窗好友刘学丽在我快乐及痛苦时的陪伴。感谢我的父母及家人，你们是我最有力的后盾，感谢你们对我无条件的支持与鼓励，感谢你们给我提供了更好的成长环境，感谢你们给予我追求梦想的自由与空间。感谢三年中遇到的每一个人，感谢重庆大学对我七年的培育之恩，是你们组成了我人生中不可复制的最美大学时光，是重大赋予了我今日的珍贵回忆。最后，再一次向所有关心、支持和鼓励过我的老师、同学、朋友及亲人们致以最真诚的感谢！谨向各位在百忙之中参与论文评阅和参加答辩的专家组老师表示衷心的感谢！韩沐辰二O一五年五月于重庆117 重庆大学硕士学位论文118 参考文献参考文献[1]维特鲁威,建筑十书,北京,北京大学出版社,2012.[2]刘睿绿色建筑管理.北京,中国电力出版社,2013:4.[3]中国城市科学研究会,中国绿色建筑(2014),北京,中国建筑工业出版社,2014,39-40.[4]中国城市科学研究会,中国绿色建筑(2015),北京,中国建筑工业出版社,2015.[5]VanLeerB.CFDeducation:past,present,future.AIAA.paper,1999-0910,1999.[6]BerBlockun.50yearsofCconmutationalWindEngineering:Past,presentandfuture.J.WindEng.Ind.Aerodyn.129(2014)69-102.[7]EnergyPoliciesofIEACountries1997Review.OECD,1997,5[8]RumseyCL,RiversSM,MorrisonJH.StudyofCFDvariationontransportconfigurationsfromthesecondDrag-PredictionWorkshop.AIAApaper,2004-394.[9]Murakami,S.,Computationalwindengineering.JournalofWindEngineeringandIndustrialAerodynamics1990,36,517–538.[10]Stathopoulos,T.Pedestrianlevelwindsandoutdoorhumancomfort.JournalofWindEngineering2006,94(11),769–780.[11]Yoshie,R.,Mochida,A.CooperativeprojectforCFDpredictionofpedestrianwindenvironmentintheArchitecturalInstituteofJapan.OriginalResearchArticleJournalofWindEngineeringandIndustrialAerodynamics2007,95(9–11),1551–1578.[12]Ferreira,A.D.,Sousa,A.C.M.,Viegas,D.X.,Predictionofbuildinginterferenceeffectsonpedestrianlevelcomfort.OriginalResearchArticleJournalofWindEngineeringandIndustrialAerodynamics2002,90(4–5),305–319.[13]Blocken,Bert,Roels,Staf,Carmeliet,Jan,ModificationofpedestrianwindcomfortintheSilvertopTowerpassagesbyanautomaticcontrolsystem.OriginalResearchArticleJournalofWindEngineeringandIndustrialAerodynamics2004,92(10),849–873.[14]Blocken,B.,Persoon,J.Pedestrianwindcomfortaroundalargefootballstadiuminanurbanenvironment:CFDsimulation,validationandapplicationofthenewDutchwindnuisancestandard.OriginalResearchArticleJournalofWindEngineeringandIndustrialAerodynamics2009.97(5–6),255–270.[15]He,Jianming,Song,CharlesC.S.,Evaluationofpedestrianwindsinurbanareabynumericalapproach.OriginalResearchArticleJournalofWindEngineeringandIndustrialAerodynamics1999.81(1–3),295–309.[16]StephaneViazzo,AnneDejoran,RolandSchiestel,Spectralfeaturesofthewall-pressure119 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重庆大学硕士学位论文122 附录附录项目编号建筑类型标识星级热工分区风力资源模拟软件A公共建筑★★★寒冷丰富PhoenicsB公共建筑★严寒丰富AirpakC公共建筑★严寒丰富AirpakD公共建筑★★★夏热冬冷匮乏PhoenicsE公共建筑★★★寒冷较好PhoenicsF公共建筑★夏热冬冷匮乏PhoenicsG公共建筑★严寒丰富AirpakH公共建筑★夏热冬冷较好AirpakI公共建筑★★★寒冷较好AirpakJ公共建筑★★夏热冬冷匮乏PhoenicsK公共建筑★★夏热冬冷匮乏PhoenicsL公共建筑★★夏热冬冷匮乏AirpakM公共建筑★★夏热冬冷匮乏PhoenicsN居住建筑★夏热冬暖匮乏AirpakO居住建筑★★★寒冷较好AirpakP居住建筑★夏热冬冷匮乏AirpakQ居住建筑★夏热冬冷匮乏AirpakR居住建筑★★夏热冬冷匮乏AnsysFluentV14S居住建筑★夏热冬冷匮乏PhoenicsT居住建筑★★夏热冬冷匮乏PhoenicsU居住建筑★★夏热冬冷匮乏PhoenicsV居住建筑★★夏热冬冷匮乏PhoenicsW居住建筑★★★严寒丰富AirpakX居住建筑★夏热冬冷匮乏Phoenics123
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