海岛超高层建筑风环境的数值模拟研究。

海岛超高层建筑风环境的数值模拟研究

摘要：随着海岛城市高层建筑兴建量的与日俱增，由此而产生的风环境已不可轻视。本文主要选用k-ξ湍流模型，应用CFD数值方法模拟高层建筑的风环境分布情况，从而分析风环境对建筑的影响和建筑对人的舒适感的影响。总结一套符合海岛超高层建筑风环境的预估及评价方法，为今后的高层、超高层建筑的设计施工及现有建筑的环境改善措施等提供一个有效的参考平台。

关键词：高层建筑；风环境；数值模拟；舒适感

0 引言

近年来，建筑风环境已经和热环境、声环境、光环境一样，越来越多的引起了人们的重视。风是构成建筑室外环境的重要因素之一，随着海岛城市超高层建筑的逐渐增多，建筑风环境已成为了影响人对环境舒适感的一个重要因素。室内外的风环境分布不仅影响建筑周围的气流运动，而且会在不同建筑之间形成风涡流等等，因此创造海岛地区良好的城市风环境，避免造成建筑附近的局部风害是势在必行的。

1 数值模拟

1.1物理模型建立和网格划分

本设计采用Fluent前处理软件Gambit建立三维的建筑风环境几何模型。在几何模型建立的过程中，尽量简化建筑模型，忽略一些对流场影响不大，却大大增加模拟难度额细节部分，方便网格的生成。

网格划分质量的好坏直接影响模拟结果的精度、可靠性以及模拟过程的稳定性和收敛性。按照建筑形状将建筑计算区域的模型采用结构四面体网格进行网格划分，建筑局部区域的网格划分软件可以进行自适应加密，本建筑模型划分总网格数为585883个。 建立建筑物理模型和网格划分图如图1、图2所示：

图1 模拟建筑的物理模型 图2 计算区域网格划分图

1.2数学模型建立

风绕建筑周围气流流动按三维不可压缩湍流流体的定常流动计算，湍流模式选用k-ξ方程模型。建筑物绕流运动满足连续性方程、动量守恒定律、能量守恒定律和组分守恒定律。描述建筑模型的湍流偏微分方程组如下：

（1

） 连续性方程：

（2）动量方程：

（3）能量方程：

（4）组分方程：

1.3边界条件的确定

CFD数值计算式在有限区域内进行的，因此需要对计算区域的边界设置边界条件。本设计中涉及的基本方程有连续性方程、动量方程及标准湍流模型k-ε方程。模拟计算的工作压力为建筑的室外大气压1001.5pa，不考虑重力的影响。建筑周围计算空间设为fluid，流体为air。根据海岛平均风速设定进风口的出流速度为4m/s，平均温度为27C，即送风温度为300K。设置出风口的出流率为1。建筑本体设为solid，即为钢筋混凝土结构。 0

2 模拟计算和结果分析

2.1 建筑简化模型的不同主导风向室内外2m处压力场模拟平面和剖面云图对比： 东向主导风向作用：

图3 2m处室内外压力平面分布云图 图4 2m处室内外压力剖面分布云图 南向主导风向作用：

图5 2m处室内外压力平面分布云图 图6 2m处室内外压力剖面分布云图 从图3和图5可以看出，东向主导风所引起的建筑周围风向分布比较均匀，风压可以均匀的分布在受力建筑的表面，不易对建筑造成大的损害，人对环境的舒适性感觉较好。而南向主导风所带来的风压主要分布在迎风建筑面上，而背风面的建筑几乎不受强压损害，这样往往会造成迎风建筑的严重损害，人对周围环境的舒适感相对较差。因此在建筑规划设计时尽量使建筑与当地主导风向垂直布置，以减少建筑物的损害，满足人对环境的舒适感要求。

2.2 建筑不同主导风向的速度和温度分布变化情况

下图分别为东向主导风和南向主导风下建筑物周围的速度和温度分布平面云图：

图7 东向主导风2m处速度分布云图 图8 南向主导风2m处速度分布云图

图9 东向主导风2m处温度分布云图 图10 南向主导风2m处温度分布云图 从图7和图8可以看出，2m处东向主导风容易导致建筑背风区形成较大的涡流区，在建筑物外部往往造成局部不良的风环境：如卷起灰尘、纸屑及杂物并堆积于背风区；掀起屋顶覆盖物、破坏围护结构、幕墙玻璃、门窗等等，对建筑物周围的行人及交通安全构成威胁。

此外还会使居住着心理上倍感不适，同时也会影响行人对环境的舒适感。从图8来看，南向主导风容易导致迎风面建筑物表面风压增大，同时也会增大建筑物表面的风压系数，同时可以引起背风区建筑物形成较小的涡流区，对满足人对环境的舒适感要求起到了很好的改善作用。

从图9和图10可以看出，2m处东向主导风使建筑周围温度不均匀性成分层布置，但整个建筑群的温度分布基本相似。2m处南向主导风容易导致不同建筑间温度分布不均匀，迎风面的建筑温度要高于背风区的建筑，建筑对人的舒适性影响则要比东向主导风建筑对人的舒适性影响大得多。因此在建筑规划设计中应当综合考虑建筑物周围不同外环境的影响，从而使建筑物达到合理健康的布局。

3 总结

通过利用FLUENT软件对模拟建筑进行数值模拟，得到了建筑室内外风环境的气流方向、速度、温度和涡流等方面的量化信息。分析对比了不同主导风向建筑表面压力、温度和速度的分布情况，总结了建筑风环境的主要影响因素，为设计施工者在规划建筑时提供了一个良好的参考平台。

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