严寒地区住宅小区室外风场的数值模拟分析
1 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紊流情况。
2.2 CFD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100.000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
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：由北向南速度大小稍有增加，速度方向基本不变。
算例1：平面高度5.94m 算例2：平面高度19.94m
图2 44号楼及其周围4栋建筑物室外风场速度矢量图及等动压线图
注：图中网格为■的位置分别是44号楼3单元202、702户南、北向房间位置。
由此可见，在建筑物群外侧拐角等锐缘处，来流的速度大小和方向都发生剧烈变化，且在建筑物群背风侧形成的涡流区内，速度梯度大，风向不稳定。在建筑物群内，易形成强度较小的旋涡区。
3.2 室外风场沿建筑物表面风压分析
建筑物处于大气流场中，由于建筑物形状和空气粘性等因素的影响，使气流速度在建筑物的前后发生变化而引起压强的变化。当风吹响建筑物正面时，因受到建筑物表面的阻挡而在迎风面上产生正压区，气流再向上偏转同时绕过建筑物各侧面及背面，在这些面上产生负压区。因此，当建筑物围护结构存在开口时，由于压差作用，室内就会形成自然通风。建筑物周围的压力分布通常由无因次风压系数描述，及建筑物外表面某点的风压与建筑物同高度出来流风压之比。
在对44号楼三单元不同平面高度的风压系数及风压值的计算结果中，如表1所示。建筑物迎风面的风压系数及风压均随着建筑物高度的增加而增加，且风压从1.6变化到17.77增幅较大；而建筑物背风面则处于很弱的负压作用下，风压系数及风压均相对较小，风压作用很弱。对于西向建筑物，由于其同样具有迎风面与背风面风压差大，风压系数变化明显的特征，因此，风压系数及风压变化规律同上。
由此，对于处于建筑物群迎风侧的建筑物，沿建筑物垂直方向上的风压系数和风压值具有风压差大，风压系数变化明显的特点，因而建筑物高处的通风效果较好。而沿建筑物水平方向上，尽管存在相对不同的风压系数和风压值，但变化规律由对速度场的分析可知，亦存在一定变化规律，即：通风方向均为由建筑物群外侧到建筑物群内侧，且通风效果强。
对于建筑物群背风侧的东向和北向建筑物，结合速度矢量分布和风压分布，采取对个别点的采样分析计算可知：由于建筑物两侧速度绝对值小，方向变化复杂，风压系数和风压沿水平和垂直方向变化均不大，因此，背风面的东北向建筑物具有通风强度较弱，通风方向复杂，规律性不明显等特点。
表1 44号楼不同平面高度的风压系数及风压值 44号楼 | 房间朝向 | 通风器高度Z(m) | 高度Z处梯度风风速V(Z)(m/s) | 模拟风速(m/s) | 动压P(X,Y,Z))(pa) | | 风压系数Cp(X,Y,Z) | 3单元102 | 南向 | 2.84 | 2.3 | 1.65 | 1.83 | 0.23 | 0.45 | 北向 | 2.84 | 2.3 | -0.35 | 0.08 | 0.23 | -0.05 | 3单元202 | 南向 | 5.94 | 3.09 | 2.44 | 3.99 | 0.4 | 0.55 | 北向 | 5.94 | 3.09 | -0.47 | 0.15 | 0.4 | -0.05 | 3单元302 | 南向 | 8.74 | 3.6 | 2.84 | 5.41 | 0.61 | 0.55 | 北向 | 8.74 | 3.6 | -0.55 | 0.2 | 0.61 | -0.05 | 3单元402 | 南向 | 11.54 | 4.02 | 3.18 | 6.79 | 0.79 | 0.55 | 北向 | 11.54 | 4.02 | -0.91 | 0.56 | 0.79 | -0.02 | 3单元502 | 南向 | 14.34 | 4.39 | 3.78 | 9.59 | 0.95 | 0.79 | 北向 | 14.34 | 4.39 | -1 | 0.67 | 0.95 | -0.02 | 3单元602 | 南向 | 17.14 | 4.71 | 5.06 | 17.18 | 1.1 | 1.08 | 北向 | 17.14 | 4.71 | -1.07 | 0.71 | 1.1 | -0.02 | 3单元702 | 南向 | 19.94 | 4.95 | 5.32 | 18.99 | 1.22 | 1.08 | 北向 | 19.94 | 4.95 | -1.13 | 0.86 | 1.22 | -0.02 |
4 总结对于受多种因素和条件影响的住宅小区室外环境，以及应用广泛、功能强大的FLUENT软件，本文仅分析和应用了一小部分内容，随着计算机技术的发展，综合考虑室外太阳辐射、建筑周围绿化等因素将成为生态建筑环境数值研究的一个新方向，而大涡模拟、直接模拟也将会应用的越来越多，使数值模拟技术在实际工程应用中发挥重要作用。
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