严寒地区住宅小区室外风场的数值模拟分析

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1、严寒地区住宅小区室外风场的数值模拟分析-基础理论摘要：室外气流运动与建筑群规划的“和谐”设计，成为建筑系统节能和可持续的生态建筑的重要方法之一。利用数值模拟的方法，可以得出住宅小区的室外的速度场、温度场及污染物分布的详细情况，对改善人居内外环境意义深远。本文针对严寒地区住宅小区，综合分析室外风环境的影响因素，建立了室外风环境的物理和数学模型，应用专业CFD软件FLUENT对此特定的流动物理问题，采用适合于它的数值解法，得到三维速度场和压力场，在计算速度，稳定性和精度等各方面达到最佳。研究表明，使用数值模拟方法对住宅小区的风环境进行评价和探讨，不仅对利用建筑布局改善室外环境有显著的作用，而且在

2、组织良好的室内通风方面也具有一定意义。关键词：住宅小区风场数值模拟FLUENT1引言随着我国严寒地区低能耗住宅建筑的发展，住宅室内通风换气问题已不容忽视。一般情况下，室内自然通风的形成，既有热压通风的因素，也有风压通风的原因，从自然通风改善室内空气品质角度来看，风压通风对室内气候条件的效果比较显著，故应首先考虑如何组织建筑物室外的风压通风来改善室内热环境。2室外风场的物理模型和CFD数值模拟2.1物理模型哈尔滨市位于严寒地区，冬季持续时间长，且室内空气质量与室外环境相差较大，故节能住宅建筑的通风关键在冬季，本文以哈尔滨地区气象参数中冬季的主导风向和风速为依据，以哈尔滨市泰海小区44号楼及其周

3、围4栋建筑物作为室外风场模拟对象，分析住宅小区室外风场的气流流动情况。模拟建筑物及其周围四栋楼均为高度为22m的建筑物，如图1，图中相应地给出各建筑物在泰海小区中的位置及其建筑物布局。为建立数学模型，对物理模型作以下假设和简化：（1）建筑物外气流分布取决于来风风速以及风向，建筑尺寸及形状，以及建筑物开口大小和位置。若开口尺寸小于建筑物立面面积的1/6，三栋建筑可简化为混凝土块。（2）室外气流为风速梯度分布的低速流范围，据Boussinesq假设，空气一般为粘性不可压缩流体。一次简化为稳态的紊流气流流动，考虑到计算机的硬件设备(RAM256M，CPUPⅣ2.4GHz)有限，仅分析最大风速的稳态

4、紊流情况。2.2CFD数值模拟FLUENT软件设计基于“CFD计算机软件群的概念”，针对每一种流动的物理问题的特点，采用适合于它的数值解法，从而高效率的解决各个领域的复杂流动的计算问题。FLUENT中提供了下列可供选取的湍流模型：Spalart-Allmaras模型、标准k-ε模型、RNG（重组化群）k-ε模型、可实现k-ε模型、雷诺应力模型（RSM）和大涡模拟模型（LES）。湍流模型选取取决于诸多因素，如流动物理机理、特定类型问题以往的经验、精度级别的要求、现有的计算机资源和模拟所用时间等。对于住宅小区这样具有较大的建筑物尺寸和较高的风速的特定条件，室外流动的Re从50.000到100.0

5、00变化，为完全发展流动，因此，采用标准k-ε湍流模型。参见前人对计算模拟区域的经验设定，室外流动模型模拟区域如下：当所着重模拟的建筑物外表尺寸为1时，模拟区域为上风侧为建筑物长度的3倍，下风侧为建筑物长度的12倍，两侧宽度为建筑物的3倍，高度为建筑物高度的4倍。几何建模和网格划分采用FLUENT的前置处理器－GAMBIT。建筑物室外风场的来流为哈尔滨地区冬季主导风：风向西南，平均风速为按10米高处风速3.8计算的沿高度递增的梯度风速。上空面、地面及建筑物表面按光滑壁面设定。方程求解中压力与速度的耦合采用压力耦合的半隐方法（SIMPLE），除压力采用二阶迎风格式进行离散外，其他如动量、紊流脉

6、动动能和紊流脉动动能耗散率均采用一阶迎风格式进行离散。图1哈尔滨泰海小区44号楼及其周围4栋建筑物平面图3结果分析与讨论3.1室外风速矢量场分析为了研究建筑物周围不同朝向不同高度处的室外气流流动情况，分别计算了位于44号楼中的两个算例：（1）平面高度5.94m（以地面为基准的送风高度）；（2）平面高度19.94m。由图2中的速度矢量分布来看，在西南风向的影响下，建筑物群的西南向建筑物处于迎风侧，而东北向建筑处于背风侧。在建筑物群外侧的西北角和东南角以及建筑物群的入口处，速度梯度达到最大值；并在建筑物群背风侧的西北角和东南角产生背风涡流区。建筑物群外侧，速度沿南向建筑物的变化规律为：由西向东逐

7、渐增大，在建筑物的拐角处达到最大值；速度沿西向建筑变化规律为：由南向北逐渐增大，在建筑物的拐角处达到最大值。沿西南向建筑物的速度绝对值较大，速度方向变化不大。在建筑物群外侧，速度沿北向建筑物的变化规律为：40号楼侧，速度由西向东速度先变小后变大，在建筑物拐角处均达到最大值，速度方向发生180°变化；42号楼侧，速度大小始终由西向东增大，且速度大小和方向变化较平缓。速度沿东向建筑物的变化为：由北向南速