城市风道量化模拟与观测研究

1.数据观测方案

模拟实验区观测的目的是验证街区范围多孔介质模型的科学性，实验面积约为1.42km2，包含了文一西路、荆长大道、常二路等城市主干道、次干道和支路，海港城商业区以及西溪风情、福鼎家园在内的居住区。

模拟实验区观测方案共选择了10个实测点，主要包括文一西路与常二路交叉口、文一西路与荆长大道交叉口、典型居住区和商业区的拐角处以及建筑物的背风口。其中，文一西路代表了城市主干道的风环境特征，荆长大道代表了城市次干道的风环境特征，常二路代表了城市支路的风环境特征。周边的建筑物密集，主要是居住区和商业区，可以代表混合的城市功能区。测点的高度为人行高度，约为1.5～2m。观测点的选择如图3-1所示。实测仪器为10台AR856风速仪（如图3-2所示，风速仪参数如表3-1所示）；实测时间为2019年3月7日上午10：50—11：00，每次测试的时间为10分钟，每隔1秒钟记录一次数据。

图3-1　模拟实验区观测点布置图

图3-2　实验仪器

表3-1　风速仪参数

2.模拟实验区观测数据分析

（1）城市道路

根据观测数据统计道路风速值（见表3-2），可以看出测点6为主要入风干道，结合主导风向可知风从荆长大道东侧吹向研究区，并沿城市主干道文一西路向西流动。北风从测点3沿着常二路流向测点7，部分气流分流进入主干道和各个街区。当主导风向与城市主干道平行时，风进入通道后风速较大，并且沿着该通道衰减；当遇到岔路时，部分风流入支路，并与该方向上的风汇合且速度也存在衰减。路网城市风流向示意如图3-3所示。

表3-2　城市道路风速观测值

图3-3　路网城市风流向示意

（2）不同功能区

根据观测数据统计的风速值（见表3-3），可以看出来流风沿着建筑体衰减。同时，由于建筑体量、形态、高度以及密度的不同，风速会变化。测点2、4周围以居住区为主，密度大且有茂密的树木遮挡，风速从海港城附近的1.076m/s衰减到0.441m/s。

表3-3　不同功能区风速观测值

（3）建筑物拐点

测点8位于建筑物的背风面拐角处，根据经验，气流一般会在建筑物的迎风拐角处发生偏离，而在建筑物的背风面形成涡旋。而建筑群的绕流过程会比单体建筑更加复杂，除了流动分离、回流漩涡等特征以外，建筑之间也会相互影响^[33]。测点8和测点10的观测值见表3-4。

表3-4　建筑物拐点风速观测值

3.中尺度城市通风环境量化模拟方法

（1）模拟实验区的选择

由于将整个新建城区建模来进行CFD模拟计算将需要耗费大量的时间，也无法承担数据量过大的计算，因此本研究选取尺度相对较小的范围进行模拟，但所选区域仍将包括基本的城市功能区，例如居住区、商务办公区、商业区等。模拟实验区域的面积约为1.42km2（见图3-4），包含了文一西路、荆长大道、常二路等城市主干道、次干道和支路，海港城商业区，以及西溪风情、福鼎家园在内的居住区。

图3-4　模拟实验区域示意

（2）多孔介质理论的引入

根据经验，若将每一栋建筑都纳入计算范围的话，可能会存在以下问题：1）若以城市尺度为研究对象，其建立的模型过大，使得网格划分的数量巨大，即使是大型的计算机运行起来也十分困难；2）计算时收敛较为困难，通常在计算中，壁面函数对近壁面网格的划分是有要求的，若无法满足其要求的话，将会导致无法收敛或收敛困难等问题。此外，由于研究区范围是1.42km2，其体量和范围相对于单个建筑体的大小要相差几个数量级，整个模拟过程是没有必要考虑每一幢建筑的。石华也认为，从局地风环境来看，单个建筑对于城市整体区域的风环境流动的影响不大。因此本研究将对实际的建筑群体进行适当简化，在达到相似精度的基础上，提高模拟的计算速度^[34]。

针对以上问题，在研究中我们将多孔介质的理论融入模拟过程，将建筑群考虑成具有动量汇的多孔介质。Patankar和Spalding于1974年在换热器内部流场的数值模拟中，首次引入多孔介质理论，并引入了分布阻力的概念^[35]。在各种具体的实验中可以发现，利用多孔介质模型得到的流场流速只有平均意义，不能反映内部各点之间的流动细节。但是在实际的工程和研究中，平均量比特殊点的数值更具有参考价值。在本研究中，将城市建筑物阵列群作为多孔介质来处理，则需要推导出通过阵列的平均风速的输运方程，以及求解方程需要的两个额外的方程来求解已知尺度的湍流动能及其耗散率。同时要研究在湍流动能和耗散率的输运方程中平均动量的源或汇项的闭合问题。

（3）模型的建立

根据多孔介质理论模型的思想，首先将模拟实验区域的模型分为五个区块来考虑。区块一是位于文一西路以北、文昌路以南、荆长大道以西的位置；区块二是位于文一西路以北、文昌路以南、常二路以东的位置；区块三是位于文一西路以南、荆长大道以西和区域内河道的三角处；区块四和区块五均位于文一西路和文二西路之间、常二路以东、荆长大道以东的区域内（见图3-5）。

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图3-5　模拟实验区域分区示意

由于建筑群风环境与单体建筑风环境有差异，在利用多孔介质思想对建筑群体进行划分的时候需要对研究区内的建筑进行简要的评价，包括其建筑高度和建筑形态。在整合建筑群时，将建筑高度、形态相似且高度方差小于3的各个单体建筑整合到一起。此外，群体建筑对风环境的影响也与建筑间距和建筑高度有关。马剑对街道宽度分别为建筑高度的0.5、1、2、4、6倍的涡流情况利用Fluent进行了模拟^[36]。在模拟顺风方向对称平面的风速矢量和风速比时发现：1）当气流为擦顶绕流流态时，即B/H（B为建筑间距，H为建筑高度）为0～1.2时，建筑间距内除了少数气流的涡流外，几乎没有主导气流的下冲现象；2）当气流为尾干扰流时，即B/H为1.2～5.0时，建筑间距的下冲气流开始增多，建筑间距内涡漩气流的速度逐渐增大，不仅首排建筑前后存在一定的压差，后排建筑前后之间的压差也逐渐增大；3）当气流为尾干扰流时，即B/H为6时，建筑之间的气压和速度已不受前后建筑的影响。在垂直方向上，模拟结果发现：1）当B/W（B建筑间距，W为建筑平均宽度）值增大时，随着建筑间距的气流增多、速度增大，主导气流可以沿着建筑间距到达后排建筑；2）当B/W=6时，建筑周围的气流将不受到其他建筑的干扰。因此，根据上述理论，当B/H为0～1且B/W为0～1时，可以将整个建筑群体整合为整体建筑（见图3-6、图3-7）。

图3-6　单体建筑整合示意图

图3-7　模拟实验区单体建筑整合图

（4）参数计算

1）黏性损失与惯性损失计算

根据多孔介质模型计算流程，需要设定黏性阻力和惯性阻力。由3.2.3节的基本公式可知，首先需要获取多孔介质系数，可以根据实验测得风速后根据实际模型在Fluent中进行模拟压降，得出速度与压降相关的二次曲线。选取实验实测点的位置（见图3-8），记录每个测点的风速值，测速时将使用AR856风速仪，每次测试时间为10分钟，每隔1秒记录一次数据，所得的平均风速值如表3-5所示。

图3-8　实验区块及测点布置

表3-5　实验区块各测点平均风速

再将实测的平均风速输入到Fluent里，用该区块的真实建筑模拟压降值，拟合后得到方程（3-17）：

∇p=0.8871v2+0.0124v　(3-17)

简化动量方程为

Δp=-SiΔn　(3-18)

所得的二次曲线与方程（3-17）比较，对应系数相等，可知

式中：当通过多孔介质的介质为空气时，μ=1.7894×10-5，ρ=1.225kg/m3；Δn为多孔介质的厚度。

由以上各式可得各区块的黏性系数和惯性阻力系数（见表3-6）。

表3-6　模拟区各区块黏性系数和惯性阻力系数

2）孔隙率计算

多孔介质中的孔隙率φ是用来描述多孔介质对流体储存能力大小的参数，是有效开敞体积与总体积的比值。考虑到风向与街道的方向并不是平行的，是有一定夹角的，因此，本书采用综合孔隙率来评价不同方向的街道对城市通风的影响。

综合孔隙率的计算公式为

式中：φx是x方向上的孔隙率分量；φy是y方向上的孔隙率分量。

孔隙率φ的计算公式为

式中：rhi为城市冠层开敞面积i的半径；li为城市冠层开敞空间i的长度；Vi为城市冠层的平均体积；Vj为建筑平均体积；rh为半径；l为街道平均宽度；h为城市冠层平均高度。

依据上述公式，可得每个区块对应的综合孔隙率（见表3-7）。

表3-7　多孔区域综合孔隙率