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摘要：在对城市空间环境进行气候响应设计中，不仅需要对个别建筑进行研究与设计，更重要的是从全局入手，对整体性气候提出应对机制。本文从气候响应设计过程以及CFD相关实用性解析两个方面对气候响应设计进行解析，从而在方案初期建立起系统的气候响应逻辑，以期达到生态可持续的目标。
关键词：气候响应设计；CFD模拟；实用性
1.基于CFD的气候响应设计过程
融合气候的城市设计面对的问题，其本质是规划师在创设宜人的室外气候环境过程中需要解决的问题。在设计过程中，需要明确气候因子对城区空间环境的作用，区域气候环境与城市整体之间的关联以及城市空间布局对微气候环境的影响。解决问题的关键在于采取合理有效的措施开发城市气候资源，规避不利影响，注意设计过程的动态协调。设计方案的前期，需要厘清设计思路，分析方法步骤，主要有以下5个步骤。
1.1.气候要素解读
基于气候适应的城市设计中，最重要的是数据支持。在设计伊始，就要进行数据的搜集与整理，保证数据的准确性与完善度。气象数据的搜集主要包括历年的温度、相对湿度、风速风向、降雨量以及日照率等，这是气候分析的基础。
城市空间形态资料、城市肌理形态、城镇道路网络、土地功能及分布、城市下垫面特征、植被及水体情况等，城市的空间形态对城市气候有着直接或间接的影响，在设计过程中需要重视二者的关联性。
分析编订气候资料，以人为中心，对气候资料进行分析整理。个体感受度为筛选气候资料的标准，将舒适度标准与气候分析图组合，审视不符合舒适度要求的因素，并采取有针对性以及应对弹性的设计策略。
1.2.响应策略制定
基于气候分析的前提下，完成相应的策略制定，充分开发利用相应资源，做到资源利用率最大化。以生物气候学原理为支持，采取自然通风、蒸发冷却降温、太阳能等方式，针对具体项目要求，进行自然地理环境、气候条件因素对城市微环境以及人体舒适度影响的评价，并对方案进行可行性评估。从宏观——“城市设计”到中观——“片区设计”到微观“地段-建筑设计”确定整体设计方案，以及实施规划。
1.3.气候响应设计
对方案进行预评估，针对选定城市的独有的气候类型以及自然环境，将已完成的规划策略与具体形态设计方案整合，评估，优化，形成最终方案。这是将气候适应的设计原理具体呈现的过程，气候策略应该与城市空间结构形成关联。
1.4.模拟分析与验证
随着计算机技术的发展，以往理论计算无法解决的问题，可以通过计算机技术进行模拟。研究选用当前较为成熟的CFD模拟技术，进行模拟区域及便边界条件设置，分析夏、冬两季城区风环境及温度场，以便为城区设计的优化策略与整合建议提供数据支持。
1.5.空间形态优化策略
以CFD模拟效果为支持，对整体方案进行优化整合，对于方案中影响城市生态环境以及将个体感受的部分进行有效合理的调整，并进行二次验证。在气候响应的城市设计过程中，从上述五个阶段内容层层递进，相互支持，最终形成完整的规划体系与评价方法，体现出完善、科学、系统的设计理念。
2.CFD相关实用性解析
计算机设备的快速更新以及计算流体力学（CFD）分析软件的不断改进，使得近年来在设计阶段着手对行人高度风环境的预测和评估变得不再困难。然而，在CFD模拟的输入端包含诸多边界条件因素，它们会直接影响到模拟运算的准确可靠性。因此，总结必要的CFD相关实用性要素也就变得十分关键。
以下将从CFD模拟中计算域的确定、网格划分方法、边界条件设置、计算模型选择、离散格式选择以及迭代收敛标准；六个方面展开说明。
2.1模拟计算域的确定
基于对模型体量的分析，如果设置h值为域内建筑高度，那么水平方向和纵向的边界应该设置在离建筑物5h或更多的地方。同时，在入风端一侧，介于域的边界与目标建筑之间应设置为光滑的下垫面，而在出风口一端应至少保证距离建筑背风面有10h的距离。
期刊文章分类查询,尽在期刊图书馆而相对应域的高度设置应具体参考周边地形的高度，保证建筑与周边地形总和的阻塞率不应大于3%。当然，需要指出的是，这样的设置仅仅是最低的要求标准，如果在没有其他环境要素影响的前提下，应当尽量扩大域的范围。
2.2网格划分方法
过大或过小的网格精度都将影响最终模拟运算的结果。网格设置过大，则运算精度不充分，难以精确指导分析结果；网格设置过小，不仅大大增加了运算成本，也更易导致运算失败。
因此，建议建筑周边最小网格分辨率应该设置为建筑尺度的1/10左右，即 0.5-5.0m之间，而地面以上应至少设置3层以上精度为1.5-5m的纵向网格。同时，在不同的网格设置体系中，较粗分辨率的网格布置不应大于较细网格分辨率的1.5倍。
2.3边界条件设置
CFD模拟所涉及到的主要边界条件分为入风口、出风口、顶部、地面及侧面五个边界要素。
关于入风口边界，给定入口风速按照符合幂指数分布规律进行模拟计算，有可能的情况下入口的k、ε 值也应采用分布参数进行定义。
对于出风口边界，应设置为自由出流边界条件，即：假定出流面上的流动已充分发展，流动已恢复为无建筑物阻碍时的正常流动，可设将出口压力设为标准大气压。
对于顶部边界及侧面边界，考虑到顶部和两侧面的空气流动几乎不受建筑物的影响，因此可设为平滑表面或对称边界。
对于地面边界，在不考虑地表粗糙度的情况下，应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; 对于光滑壁面应采用对数定律。
2.4计算模型选择
对于外环境中的风通常认为是不可压缩的低速湍流形态。如何湍流模型的选择是决定风环境模拟工作准确性的关键缓解。一般我们接触到的CFD 软件，都配有多种供选择的湍流模型，如代数模型、一方程模型、二方程模型、雷诺应力湍流模型等。在实际项目中二方程k-ε模型是使用最为广泛的计算模型，它适合于较大雷诺数、低旋、弱浮力流动，同时具有计算成本低、运算波动小、精度高的特点。但应当注意的是标准k-ε模型耗散性过强的属性特点，因此在使用时往往需要对其进行修正。
2.5离散格式选择
CFD 软件用于计算通量的离散差分格式主要有中心差分格式、指数律格式、一阶迎风格式、二阶迎风格式、QUICK格式。其中，中心插分格式往往在不发生震荡的参数范围内，可获取准确度更高的模拟结果。指数律格式主要主要适用于无源项的对流扩散问题，对于有非常数源项的场合而言，当克莱值较高时，运算容易发生较大偏差。一阶迎风格式虽然可以获得物理上可接受的结果，但当克莱值较大时，模拟结果易出现假扩散问题。为避免此问题，通常需要以加密运算网格来解决，无形中加大了工作量。二阶迎风格式教一阶迎风格式，其运算精度更高，但同样会暴露假扩散的问题。QUICK格式能避免一阶、二阶迎风格式容易出现假扩散的弊病，同时具有运算精度高的特点，但主要针对四边形网格或六面体网格背景。
因此，在实际工程应用中，应避免采用一阶差分格式及二阶迎风格式，对于时下主流的商业CFD模拟软件，如Phoenics，其网格划分为四面体正交网格，建议采取QUICK离散格式。
2.6迭代收敛标准
通常判定一个运算是否收敛，往往会通过判断整个区域内迭代计算的最大修正值（Maximum correction）是否达到0或者无限趋近于0，否则即为离散状态。第二是质量守恒、能量守恒。需要注意的是如果质量不守恒，说明了计算肯定不收敛；但是质量守恒了，却不能断定计算一定是收敛的。
3.总结
本研究通过基础理论的全面研究，分析了气候要素与城市形态之间的相互关系，提出城市形态气候响应设计的技术路线，并对CFD应用于气候响应设计的过程及实用性方面进行分析、归纳、总结，基于此建构出气候响应设计的理论依据。
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论文作者:王哲
论文发表刊物:《防护工程》2018年第36期
论文发表时间:2019/4/12
标签：气候论文; 网格论文; 边界论文; 格式论文; 城市论文; 形态论文; 模型论文; 《防护工程》2018年第36期论文;