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摘要：本文针对武汉城市住宅小区风环境的数值模拟及分析研究，将从数值模拟分析准备工作入手，结合武汉城市某住宅小区构建及环境设定，对风环境评估标准展开说明，最后本文提出数值模拟的具体结果及分析。希望本文的研究，能为提升我国各地区住宅小区的风环境控制水平提供参考性建议。
关键词：武汉城市；住宅小区；风环境；数值模拟分析
1 数值模拟分析准备工作
1.1湍流模型
风绕建筑物的流动，是一种复杂的过程。该过程被称为高雷诺数值运动过程。对居住小区风环境的数值模拟，实际上为钝体扰流流场的数值模拟。对于城市住宅小区的实际建设工程中，时速速度场、湍流脉动、压力场等，一般是人们较为关注的问题。但是，对于湍流的产生原因，以及产生后的发展等细节问题并没有详细的研究过。因此，城建工程应用中，并不需要详细的模拟。目前，对于湍流模型的数值模拟，一般可采用两种方法，即雷诺时均方程模型（RANS），以及雷诺应力模型（RSM）。本文采用的是RANS方程模型的一种，为Airpak软件进行数值模拟方法。
1.2计算域
对于城市住宅小区风环境的数值模拟及分析，必须以建立有限三维计算域为前提。明确好数值模拟中的计算域之后，若发现计算区域较大，其分析的区域也会加大，网格数量也会加大。进而使你计算时间和计算量增加，提升了计算机软硬件的条件要求。另外，计算域若较小，会发生计算结果不准确的结果，进而使数值的模拟结果失真。根据其他研究文献中的计算域范围大小，本文将结合武汉城市住宅小区数值模型实际情况，确定1000m*1000m*400m为计算域的范围。
1.3边界条件
数值模拟分析中，边界条件分析主要包括两个内容，即入口边界条件与其他边界条件。首先，入口边界条件，是根据大气边界层平均风剖面，采用的是速度边界。本文以武汉城市住宅小区为例，根据我国《建筑结构荷载规范》，武汉住宅小区为确定为密集建筑群城市市区，为地貌粗糙类型，地面粗糙指数a为0.22，梯度风高度Z为400米[1]。Airpak软件可以提供大气边界模型，设定好数值之后建立完整的大气边界层，湍流能量耗散规律采用的为Airpak软件的经验公式进行自动完成。对于其他边界条件，主要包括顶面和侧面。出口边界设置好压力出口边界值，以及环境相对压力值。
2 武汉城市某住宅小区构建及环境设定
2.1住宅小区布局原则
将武汉城市某住宅小区的布置范围设定为200m*200m，其小区为板式行列式布局，由建筑单体拼接而成，小区内建筑为正南北向，其高层、小高层、多层的城建高度分别为60m、34m、18m。建筑间距根据武汉市城建规划相关管理规定进行布置，布置方案包括A、B、C三种，分别如图1、图2、图3所示。方案A为3个基本单元的6层多层建筑，高度18m，长度15m，宽度12m，东西距离8m，南北距离21m[2]。方案B为3个拼接单位的12层小高层建筑，高度34m，长宽分别为51m、12m，东西距离15m，南北距离12m.方案C为2个单位组成，21层高层，高度60m，长宽比例为5，东西距离20m，南北距离51m。
2.2住宅小区风环境设定
根据武汉城市的环境和气候，其城市住宅小区的夏季通风较重要。武汉城市夏季的白天主导风向为东南方向。根据气象台的观测，以10m为测量标准，其平均风速为2.2m/s。另外，武汉城市夏季白天的平均温度为32摄氏度。武汉城市住宅小区风环境的设定，需要将以上参数纳入到气候条件参数的设定中。
3 风环境评估标准
风环境的优劣程度，会影响人居住的舒适度。因此，风环境的评估标准，需要以人的感受为主。人行高度上风环境的评估标准，经过现场测试与统计调查，当代学界确定了其评估标准共有三种，即相对舒适度、风速比评估准则、风速概率统计[3]。其中，风速比是较为建筑实体以及数值模拟体系中普遍的舒适性评价参数。风速比反映的是建筑物周围风速变化程度，进而确定人行高度处的风环境影响因素。该评估方法的人行高度取值为1.5m。且该方法认为，建筑物周围的行人高度处的风环境，会随着来流风速进行变化。但是，在一定风速范围内，建筑物周围流场相对稳定。
4 数值模拟结果及分析
经过固定高度处的风速矢量图分析，如图4、图5所示。A方案中，1.5m高度处的风速最大值为2.9m/s，风速比值为2：1，风环境主要分布在A方案中南面前排建筑之间。根据建筑群走向，其住宅小区的风速分布规律，为从东南到西北逐渐降低。另外，由于建筑间距影响，南北向的气流被阻挡，其气流住宅小区的风向为自东向西。建筑背风面会出现涡流现象，南面具有较强气流。由于受到阻挡作用引起分流风。最东面建筑背风面变化剧烈，东西方向的走廊通风处变化轻微。
图4 A方案1.5m高度处风速矢量图 图5 A方案1.5m高度处风速矢量图
如图6、图7所示，B方案是小高层建筑群。从图中可发现其风速分布规律如下：整个区域的通风廊道为东西方向。最东面建筑背风面出现涡流现象，且涡流范围较广。除此之外，区域内的风速最大可以达到3.2m/s，风速发育2m/s的区域也较广，风速比值为2.25。除建筑群北面以外，最东面的建筑背风面局部的风环境情况具有优势。
图6 B方案1.5m高度处风速等值线图 图7 B方案1.5m高度处风速矢量图
C方案的风速可以达到3.4m/s，其风速比大约为2.4。如图8、图9，整个区域内的风环境情况为：建筑物的背风面具有较大涡流场。同时，建筑物背面存在环形低风速带状区域。最南面建筑的迎风两侧，以及分流风其余的迎风面，集中了高风速风环境，在涡流阻挡作用下形成强区。涡流低风速环带区域风速在1m/s以下，包围的区域风速在1.5m/s左右。
图8 C方案1.5m高度处风速等值线 图9 C方案1.5m高度处风速矢量图
综上所述，200m*200m范围内，1.5m高度的风速比值规律，以及风速比类型面积与室外通风面积比值如下：B方案的 一类低风速区域比例为32.87%，A方案为46.67%。二者相比，B方案通风环境更好，低风速比区域比例较低。可见，建筑高度与建筑间距越大，其人行高度风环境效果更佳。C方案是B方案的进阶版，建筑间距为最小间距标准。与A方案相比，C方案一类低风速区域比例较高，为50.06%。但是，其三类低风速比例较低。C方案四类强风速区域比例也较多。因此，C方案的风环境略差于A方案，二者差别不大。可见，建筑高度及其间距进一步增大，反而会降低整体风速。
结论：
为了针对不同类型住宅小区构建出良好的风环境，本文针对武汉城市住宅小区风环境的数值模拟及分析研究，是从数值模拟分析准备工作入手，对其中的湍流模型、计算域、边界条件等进行了分析。接着，本文结合了武汉城市某住宅小区构建及环境设定，具体分析了住宅小区布局原则，住宅小区风环境设定等重要内容。最后，本文根据风环境评估标准说明，提出了数值模拟的具体结果及分析。希望本文的研究，能为提升我国各地区住宅小区的风环境控制水平提供一份借鉴，进而改善城市居民生活质量。
参考文献：
[1]孙勇，潘毅群.绿化和建筑布局对住宅小区的风热环境影响的数值模拟分析[J].建筑节能，2016，06：78-84.
[2]张康.内廊式学生公寓室内风环境研究——以苏州科技大学研究生宿舍楼为例[J].苏州科技学院学报（工程技术版），2016，03：54-58+80.
论文作者:叶航勇
论文发表刊物:《基层建设》2017年第22期
论文发表时间:2017/11/16
标签：风速论文; 环境论文; 住宅小区论文; 数值论文; 武汉论文; 方案论文; 高度论文; 《基层建设》2017年第22期论文;