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　　严寒地区住宅小区室外风场的数值模拟分析论文 摘要： 室外气流运动与建筑群规划的“和谐”设计，成为建筑系统节能和可持续的生态建筑的重要方法之一。利用数值模拟的方法，可以得出住宅小区的室外的速度场、温度场及污染物分布的详细情况，对改善人居内外环境意义深远。本文针对严寒地区住宅小区，综合分析室外风环境的影响因素，建立了室外风环境的物理和数学模型，应用专业CFD软件FLUENT对此特定的流动物理问题，采用适合于它的数值解法.freel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 3 结果分析与讨论3.1 室外风速矢量场分析 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。 在建筑群内，速度大小变化较小，但方向沿围护结构变化很大。因此，在左右两个马蹄形建筑群内形成了两个强度相似，但旋转方向相反的旋涡。 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