优化设计：城市中心风环境与空间形态耦合

风环境模拟的参数设定主要包含三部分内容：模拟条件的设定、湍流模型的选取和边界条件的确定。

1)模拟条件

风环境的计算机数值模拟技术的理论核心是计算流体动力学和数值分析方法，其使用一组微分方程描述空间中流体的流动状况，通过求解出微分方程组的数值解，进而获得流场的相关性质。其模拟具有一定的假设条件：

计算域内的流场为稳态流场；

计算域内的气流为不可压缩流体(Incompressible fluid)；

计算域内的流体为牛顿流体；

计算域内的流场的流动类型为湍流(Turbulent flow)；

计算域内的流体具有非等温的特点，但本书风环境模拟不考虑热环境对空气流动的影响；

以上模拟条件应在CFD软件中进行相应的选择与设定。

2)湍流模型

自然界的空气流动类型主要有层流和湍流两种，城市边界层内空气流动属于湍流的范畴，是一种高度非线性的复杂流动。在CFD软件的风环境模拟中还需要附加湍流模型，利用数值方法对其进行模拟。标准k-ε模型是最常见的工程用计算模型，但是标准k-ε模型本身具有缺陷，尤其是在对建筑背风面涡流的反映上，与真实值偏差较大。大量学术研究和实验数据表明，标准k-ε模型运用于室外风环境模拟的误差较大，不宜采用。宜采用更加精确，但对计算机硬件资源要求较高的其他优化模型，例如：RNG k-ε模型、LES模型、DES模型等。根据部分文献^[1][2]关于湍流模型的比较研究结论，本书采用RNG k-ε模型作为湍流计算模型。

3)边界条件(www.xing528.com)

来流边界条件——首先，风环境模拟的边界条件中最重要的是来流边界的风速及风向的矢量数据。在前期的准备工作中，应结合研究对象所在地若干年的气象数据资料进行风速与风向的统计，并根据研究的需要选取相应时间段内的风向与风速数据作为风环境模拟的基础。本书风环境模拟基于南京冬冷夏热的气候特征，选取6、7、8月的主导风向及主导风向下的平均风速作为夏季风环境模拟的来流边界条件，选取12、1、2月的主导风向及主导风向下的平均风速作为冬季风环境模拟的来流边界条件。本书气象统计资料采用ENERGY.GOV网站提供的CSWD格式的气象数据文件(该数据来源于清华大学和中国气象局的实测数据)，并利用Climate Consultant软件进行风速和风向数据统计，得到如图2-6所示的南京夏季、冬季风数据统计图。从图中可以看出，南京夏季风向主要处于南向与东南向之间，其频率达到38.7%，静风率约为2.9%，而其主导风向应为东南偏南(SSE)，且主导风向下的平均风速约为2.8 m/s；南京冬季风向主要处于东向和东北向之间，其频率达到28.0%，静风率约为7.3%，而其主导风向应为东北偏东(ENE)，且主导风向下的平均风速约为3.0m/s。

图2-6　南京夏季、冬季风数据统计图

*资料来源：作者自绘

纵向的风速变化采用指数律描述的梯度风条件，由于南京新街口中心区属于高密度、高高度的城市中心区域，其最高建筑紫峰大厦高度达到450 m(总高度450m，屋顶高度389m)，而我国《建筑结构荷载规范》(GB 50009—2001)中D类的粗糙度指数α=0.3、梯度风高度为450m，难以满足南京新街口中心区的需求，因此采用日本建筑师协会(Architecture Institute of Japan，AIJ)的风环境模拟标准(表2-2)中的第Ⅴ类，其粗糙度指数为α=0.35、梯度风高度为650m。分别以南京夏季主导风向SSE的平均风速2.8 m/s和冬季主导风向ENE的平均风速3.0m/s作为新街口中心区夏季和冬季风环境模拟的10 m高度处的参考风速。其他条件如湍动能和耗散率则采用软件中粗糙度对应的默认值，本书不再详细论述。

表2-2　AIJ标准中粗糙度类别及对应的α和ZG取值

*资料来源：Architecture Institute of Japan.Chapter 6 of Recommendations for loads onbuildings［S］.Japan，2004：14-16

出流边界条件——根据2.1.3节确定的计算域大小可以基本保证研究区域建筑背风面的流场发展充分，湍流达到相对平衡状态，出流边界对梯度风无影响，压力、湍动能、耗散率均应为零，所以本书出流边界采用自然出流(Natural outflow)边界条件。

壁面和其他边界条件——壁面边界设置针对固定不动的建筑表面和地面，采用无滑移(No-slip wall)壁面边界条件，用于区分流体和固体区域。计算区域顶部和侧面的非出入流边界都无实际的边界，可采用自由滑移(Freeslip wall)壁面边界条件。