CFD在建筑风环境计算中的应用

风以及风在建筑中的应用

风的形成

1、风的形成：暖空气和冷空气之间的压差形成了风，像海陆风。

2、气压对风的影响：压差高风强，压差低风弱。

3、全球风的分布：由于地形、离水远近、太照射角度不同等导致地表受热不均，造成气压分布的变化。最终风的方向大小在全球有规律的变化。

4、我国风力分布：我国幅员辽阔，海岸线长，风能资源比较丰富。

1）东南沿海及其岛屿，为我国最大风能资源区。

2）内蒙古和甘肃北部，为我国次大风能资源区。

3）黑龙江和吉林东部以及辽东半岛沿海，风能也较大。

4）青藏高原、三北地区的北部和沿海，为风能较大区。

5）云贵川，甘肃、陕西南部，河南、湖南西部，福建、 广东、广西的山区，以及塔里木盆地，为我国最小风能区。

6）在4和5地区以外的广大地区，为风能季节利用区。

风的基本应用

1、对风的低等应用

1）风力水车：我国是利用风能最早的国家。早在2000多年以前，利用风力驱动的帆船已经在江河中行驶，明代开始应用风力水车灌溉农田，并且出现了用于农产品加工的风力机械。

2）荷兰风车：1229年，荷兰人发明了世界上第一座为人类提供动力的风车。到了十六、七世纪，随着荷兰人民围海造陆工程的大规模开展，风车在这项艰巨的工程中发挥了巨大的作用。当时，荷兰在世界的商业中，占首要地位的各种原料，从各路水道运往风车加工，其中包括：北欧各国和波罗的海沿岸各国的木材，德国的大麻子和亚麻子，印度和东南亚的肉桂和胡椒。在荷兰的大港--鹿特丹和阿姆斯特丹的近郊，有很多风车的磨坊、锯木厂和造纸厂。

现代建筑中风的应用

1、通风：通风与换气的方式有自然通风和机械通风两种。自然通风是借助于热压或风压使空气流动，使室内外空气进行交换，而不使用机械设备。如在总平面布置、建筑体型和朝向、门窗处理以及利用地形和绿化等方面组织好自然通风，则可获得良好的效果。一般应尽量采用自然通风，以节省设备和投资。

1）利用风压实现自然通风

如果希望利用风压来实现建筑自然通风，首先要求建筑有较理想的外部风环境(平均风速一般不小于3-4m/s)，其次建筑应面向夏季主风向，房间进深较浅(一般以小于4m为宜)以便易于形成穿堂风，此外由于自然风变化幅度较大，在不同季节不同风速、风向的情况下，建筑应采取相应措施来调节室内气流状况，冬季在保证基本换气次数的前提下应尽量降低通风量以减小热损失。

2）利用热压进行通风

自然通风的另一种方式是利用建筑内部的热压，即常讲的“烟囱效应”，热空气（比重小）上升，从建筑上部风口排出，室外新鲜的冷空气（比重大）从建筑底部被吸入。

3）热压和风压相结合的方式进行通风

在高层建筑中自然通风要与机械式自然通风相结合，才能实现更好的通风换气效果。由于风在高大室内空间流动时，会与空间内设有各种各样用途的设施与设备和墙壁等接触撞击，使风消耗很多的能量，仪仪靠风力与建筑物所形成的压力无法使建筑物完成良好的自然通风，就要借助机械装置对自然风提供动力。另外在高层建筑中自然通风还应当与风道、太阳能等结合，实现有组织的自然通风，用一种廉价、健康的方式给人们提供一个舒适的工作、休息和娱乐环境。

4）机械辅助通风

对于一些大型体有场馆、展览馆、商业没施等由于通风路径较长，流动阻力较大单纯依靠自然的风压热压往往不足以实理自然通风，而对于空气和噪声污染比较严重的大城市，直接自然通风会将室外污浊的空气和嗓声带入室内，不利于人的健康。在以上情况下，常常采用一种机械式辅助式自然通风系统。该系统有一套完整的空气循环通道，辅以符合生态思想的空气处理手段(土壤预冷/预热，深井水换热等)并辅助一定的机械方式来加速室内通风。

5）管道式通风

20世纪50年代初在哈尔滨建造的公共和民用建筑中, 每个房间均有自然通风孔。整个建筑物形成一个管道式自然通风系统。

6）自然通风与双层掩护结构风幕墙在通风中的应用

双层玻璃幕墙可以解决高层建筑室内的自然通风，空气间层中气流的通风驱动力可分为: 机械通风、自然通风、混合通风。而每个双层玻璃幕墙只有一种通风驱动力。因此按照空气间层中通风驱动力的不同, 双层玻璃幕墙也可以分为3种类型: (1)气候式外墙——机械通风；(2)自然通风外墙——自然通风；(3)交互式外墙——混合通风(机械通风+自然通风)。

建筑的风能的利用

建筑中风能利用有多种形式主要有：

1、风力发电：世界能源结构也正在孕育着重大的转变，即由矿物能源系统向以可再生能源为基础的可持续能源系统转变。所谓可再生能源就是取之不尽、用之不竭、与人类共存的能源。它包括太阳能、风能、生物质能、地热能、海洋能等。在这众多的可再生能源中，目前发展最快、商业化最广泛、经济上最适用的，当数风力发电。

1）小型风力发电：

A优点：小型风力发电机多为民用，具有尺寸小、安装使用方便、成本低、效率高等特点，因此适用于各种地域和气候环境。

B缺点：输出功率低，不能提供广泛的能源使用。

2）大型风力发电：

A优点：可提供大规模电力供应应用广泛。

B缺点：设备昂贵维护不易，运行成本高。

2、通风调解温度

1）室外空气通过地下层引入室内，由于利用了地热，引入的新鲜空气温度在冬季高于室外温度而在夏季却低于室外温度。

2）超市内冷冻箱等设备产生的热量被回收用来在冬季加热外界空气。建筑中还装置了燃烧天然气的热电联产设备来补充余下需求的热量，并提

供了建筑80%的电能。夏季的冷源由常温10-12度的地下水提供，也是通过循环管道与混凝土地板层结合达到向室内供冷的效果。

3、被动式风压排气

4、特殊应用

美国洛杉矶建筑师迈克尔·伽特泽最近设计出一栋划时代的建筑：风力旋转公寓，它共有7层，每层都可以随风转动，因此你每分钟看到的房子外形都是不一样的。

CFD对建筑室外风环境的预测和分析

建筑群外流场分析

• 建筑群中各建筑物间的气流组织

• 夏季有利于通风，避免通风死角

• 冬季避免风速过高区域

• 有利于污染物的扩散

• 高层建筑要考虑梯度风的影响

《中国绿色建筑评价标准》对室外风环境有严格的要求：建筑物周围人行区距地1.5m 高处，风速ν<5m/s，风速放大系数<2，严寒、寒冷地区冬季保证除迎风面之外的建筑物前后压差不大于5Pa，且有利于夏季、过渡季自然通风，住区不出现漩涡和死角。

建筑群污染物扩散分析

• 污染源的危害评估

• 分析污染范围，指导下游污染预防

• 便于及时准确指导疏散

• 指导不可避免污染源的合理的设计位置

不可避免的会发生一些污染事故，也可不避免的存在一些污染源，如何减少事故造成的损失和降低污染源的影响范围，尤其是在预防方面如何做到，就需要使用CFD来模拟分析，寻找最优的预防方案和合理的设计方案。

建筑风载预测

• 预测在各种气象条件（不同室外风速）下建筑物，尤其是高大建筑物的风力载荷，用于考虑建筑的结构强度。

• 有助于优化建筑的几何外形

通过分析优化建筑风载荷，通过适当降低悬挑部分的高度以研究几何参数变化来减少平均风荷载的影响，数值模拟结果说明，适当降低悬挑高度可以显著减小悬挑部分的平均风荷载。

其他问题

除上述问题外，还可以进行城市热岛效应，城市局部气候条件等大范围与建筑室外风环境相关的现象的分析。

行人风环境数值评估

大尺度的建筑物和密集的建筑群都会对其周边的风环境造成较大的影响，并可能引起行人风环境问题。局地强风往往由于单个或多个建筑物的钝体外形及布局引起，形成下冲风、狭谷风、穿堂风、角隅风以及尾流风等。常态风况时，会增加行人的不舒适感，影响建筑物的正常使用；极端风况时，将影响行人安全，均需予以避免。

行人风环境评估的阈值超越概率方法包括风不舒适度评估及风危险度评估两部分，其中不舒适或危险“与否”通过风速阈值来界定，而不舒适与危险的“度”则由超越该阈值的概率大小来评判。

对于拟建建筑，基于这些数据资料评估行人风环境的基本程序为：

1) 统计分析常年观测到的风速风向资料，得到各风向角度区间的风频并确定其风速概率分布函数。

2) 通过(数值)风洞试验获取各风向下的风速比。

3) 基于风速比和场地类别，将该场地行人高度的阈值风速转化为观测点处的阈值风速。

4) 将转换风速代入概率分布函数，综合各风向的风频加权求和获得此阈值风速的总发生概率。

CFD在建筑风环境模拟中的关键问题

1、迎风堵塞度

• 迎风堵截度＝模型截面积/迎风面计算区域截面积

• 迎风堵截度应丌大于4%

2、计算区域长度

• 建筑后边界到出口距离至少为6倍的计算回流区长度

• 入口到建筑边界距离为建筑后距离的2/3

3、网格数

• 在建筑物高度方向应至少有10个节点，建筑物每个侧边应至少有10个网格。网格的最小尺寸应控制在建筑物的尺寸的1/10左右，并且在距离地面高度1.5～5m一下应有至少3个网格。

3、网格长宽比

• 目标建筑周边的重点观测区域网格长宽比小于1.5

• 其他区域长宽比对结果影响不大，网格长宽比小于25

4、壁面函数

• 壁面函数选择Fully-rough(最好分别设定，地面采用Fullyrough，建筑表面采用General-log-law)

5、差分格式

• 差分格式采用quick格式

6、湍流模型

• 采用的湍流模型为RNG k-epsilon模型

7、边界条件

• 入口边界

根据AIJ（Architectural Institute of Japan）推荐，入口速度边界条件为指数幂法则，U(z)=Us(z/zs)a

• 侧边与顶部边界条件

侧边与顶部边界条件一般采用对称边界或是自由出流边界，采用对称边界条件可能会人为的给流体一个加速，会使流体速度变大；而采用自由出流边界条件可能会改变出口流体流向。通过大量模拟与实验证明，假设在确定计算域时满足上述的计算区域条件，则使用对称边界条件与使用自由出流边界条件对目标区域的影响是可以忽略的。

• 出口边界条件

若出口边界满足上述计算域条件，则出口边界应设置为自由出流边界条件。

• 地面边界条件

地面边界条件可以采用光滑壁面对数率法则或有粗糙度的壁面对数率法则，但不管是采用哪种壁面，都应与类似的风洞实验近地面速度分布有较好的一致性。

• 建筑物边界条件

同地面边界条件。

8、气象参数

• 选取当地冬季、夏季和过渡季各季中月平均风速最大月的风向风速作为场地风环境典型气象条件。

9、树木处理

通常，研究大尺度的边界层流动时，可通过粗糙度影响修正的壁面函数来模拟近地表环境，这种方法得到的是边界层的整体流动特征，虽然在粘性亚层需要的网格数目较少，但不能模拟植被的详细特征参数，也无法得到植被遮蔽区的湍流结构信息。为了在不增加计算网格消耗的前提下，模拟植被覆盖区复杂的流动特性，可釆用在流动输运方程中附加源/汇项的方法。

本篇文章来源于微信公众号: 南流坊