基于CFD的高层建筑群对临近多层建筑群城市风环境影响研究

Research on the Impact of High-Rise Building Complexes on the Urban Wind Environment Adjacent to Multi-Storey Building Complexes Based on CFD

摘要: 现今城市地区高层建筑密集，其不同位置会对临近的多层建筑城群市风环境造成不同的影响。本文利用CFD数值模拟技术，通过选取了建筑1.5 m处、多层建筑2/3高程处、高层建筑2/3高程处三种典型截面，研究了高层建筑群在多层建筑群上游、中游、下游三种不同的位置下，对临近的多层建筑群城市风环境的影响，结果表明：不同位置的高层建筑群对临近多层建筑群的流场和压力场分布均起到了显著影响。

Abstract: Nowadays, high-rise buildings are densely populated in urban areas , and the different locations of high-rise buildings will have different impacts on the wind environment of the neighboring multi-story buildings. This paper utilizes CFD numerical simulation technology, by selecting three typical cross sections at 1.5m of the building, 2/3 of the elevation of the multi-storey building and 2/3 of the elevation of the high-rise building, and investigates the influence of the high-rise building group on the urban wind environment of the adjacent multi-storey building group in the upstream, mid-stream and downstream of the multi-storey building group in three different positions, and the results show that: the high-rise building group in different positions has a significant influence on the flow and pressure fields distribution of the adjacent multi-storey building group. The results show that the different locations of the high-rise building clusters have significant effects on the flow and pressure field distribution of the adjacent multi-story building clusters.

1. 引言

随着科技发展以及人口数量提升，现今城市地区有较多建筑群为高层建筑和多层建筑混合排列构成。密集的高层建筑往往会造成城市风环境流动紊乱，同时也会影响临近的多层建筑风环境，在较低处还会降低建筑附近过往人员的舒适性[1]，在较高处因高层建筑产生的风压则容易对多层建筑表面造成较大压力负载，使得多层建筑墙皮等表面物体脱落，造成安全隐患[2]。

对此，国内外已有不少学者对高层建筑和多层建筑周围风环境影响进行了数值模拟和实验验证研究。尹子晗[3]研究了多层建筑布局策略，从室外风环境优化的角度，探讨长三角地区多层住宅建筑的布局策略，从原理层面为住区建筑布局设计提供指导性意见。刘海鸿[4]分析了城市行人风环境的影响因素，并提出风环境的优化策略，结果表明，经过优化，研究区域内的行人舒适区占比提高了6.21%，低层、高层和超高层建筑群内的舒适区占比分别增加了18.42%、9.79%和11.02%。郑颖生[5]研究了高层建筑布局对城市总体通风效率的影响，进而分析高层建筑单体如何影响城市的总体通风状况。秦彤[6]等人研究了单个高层建筑对临近低层建筑群的影响，结果表明，单个高层建筑对临近低层建筑群影响显著。杨丽[7]等人研究了围合式、行列式、前后错列式、左右错列式、点式五种常见的居住区平面排列方式，通过数值模拟方法分析了城市风环境分析，结果表明，建筑平面排列方式和风向入射角都会影响建筑群体间的外部风场。刘政轩[8]等人研究了不同布局形式对改善风环境居住区的影响，利用Fluent软件对长沙市典型住区形式进行室外风环境模拟，结果表明，对于长沙地区来说，行列式排列方式较为合理的布局方式。曾穗平[9]等人研究了建筑布局形态与通风效率之间的耦合规律，通过罗列天津市20种常见的城市布局方式，采用Phoenics风环境模拟软件分析了人行道高度单位建筑体积的风阻指数，得出利于天津市地区气候的建筑排列方式。Azli Abd Razak [10]等人设计了五种不同长宽比相互交错均匀的阵列模型，同时设计了一种高度不均匀的阵列模型，通过CFD数值模拟方法，研究了建筑结构外形与城市风环境的影响规律，结果表明，建筑物迎风面积比(建筑面积比与建筑纵横比的乘积)是评价人行区域风环境的重要参数，并推导了建筑物迎风面积比–人行区域风环境之间的指数方程。H Bo和B Lin [11]建立了6种典型的建筑布局模型并进行数值模拟，研究了建筑布局和树木分布对建筑外部风热环境的影响，结果表明，当建筑物的长立面平行于来流风向时可获得较为舒适的风环境。Jonas [12]等人研究了两栋建筑的角形布局对局部风环境的影响，结果表明，通道中的风速随着建筑物之间角度的增加而增加。

本文通过建立城市风场物理模型，划分网格，利用CFD数值模拟技术研究了高层建筑群在多层建筑群中上游、中游、下游三种不同的位置工况下，对临近多层建筑群城市风环境的影响，研究工作也为城市高层建筑群在多层建筑群中位置的选择设计给出了一定的指导建议。

2. 模型建立

2.1. 物理模型

本文利用SpaceClaim建立了符合国家标准[13]的高层建筑、多层建筑以及城市风场的几何模型，通过改变高层建筑群在多层建筑群中的位置，来模拟不同的城市风场环境工况，如图1所示。高层建筑高度H为90 m，长度L为30 m，宽度W为50 m。多层建筑高度H为24 m，长度L为30 m，宽度W为50 m。相邻高层建筑和多层建筑左右和前后间距D为25 m。城市风场高度取3 H，风场入口与第一个建筑迎风面距离取3 H，出口与最后一个建筑背风面距离取6 H。

Figure 1. Physical model of urban wind farm environment: (a) Overall model; (b) The high-rise building complex is located upstream; (c) The high-rise building complex is located in the middle reaches; (d) The high-rise building complex is located downstream

图1. 城市风场环境物理模型：(a) 整体模型；(b) 高层建筑群位于上游；(c) 高层建筑群位于中游；(d) 高层建筑群位于下游

2.2. 数学模型

本文采用k-ε双方程模型(Jones & Launder, 1972)来对城市建筑风场内的气流组织进行仿真模拟，其中包含连续性方程，能量守恒方程以及k-ε方程[14]。为简化仿真问题，做出如下假设：城市风场环境和建筑物地面都是固定的，不会产生相对运动，故底面采用无滑移边界条件；流场两侧距高层建筑群较远，两侧流场边界对建筑物影响可忽略，故两侧边界采用对称边界条件；城市风场环境内流动形式为湍流流动。由于本文研究不考虑温度，故不启用能量方程。

依据上述假设条件，城市建筑风场内环境气流流通方程可写成如下所示：

(1) 连续性方程

$\frac{\partial u_i}{\partial x_i}=0$ (1)

其中u_i为速度矢量，单位为m/s。

(2) 湍流动能K方程

$\frac{\partial \left(\rho k\right)}{\partial t}+\frac{\partial \left(\rho k{u}_i\right)}{\partial x_i}=\frac{\partial }{\partial x_j}\left[\left(\mu +\frac{{\mu }_t}{{\sigma }_k}\right)\frac{\partial k}{\partial x_j}\right]+{\mu }_t\frac{\partial u_i}{\partial x_j}\left(\frac{\partial u_i}{\partial x_j}+\frac{\partial u_j}{\partial x_i}\right)-\rho \epsilon$ (2)

(3) 湍流动能耗散率方程

$\frac{\partial \left(\rho \epsilon \right)}{\partial t}+\frac{\partial \left({\rho }_{\epsilon }{u}_i\right)}{\partial x_i}=\frac{\partial }{\partial x_j}\left[\left(\mu +\frac{{\mu }_t}{{\sigma }_{\text{e}}}\right)\frac{\partial \epsilon }{\partial x_j}\right]+\frac{C_{1\epsilon }}{k}\frac{\partial u_i}{\partial x_j}\left(\frac{\partial u_i}{\partial x_j}+\frac{\partial u_j}{\partial x_i}\right)-C_{2\epsilon }\frac{{\epsilon }^2}{k}$ (3)

其中，$\rho$ 为密度，$\text{kg}/{\text{m}}^3；u_i$ 为速度，m/s；$\mu$ 为动力黏度，N.s/；k为湍流动能；$\epsilon$ 为耗散率；对于标$k-\epsilon$ 准模型来说，有${\text{C}}_{1\text{ε}}$ = 1.44，${\text{C}}_{2\text{ε}}$ = 0.09，${\sigma }_K$ = 1.0，${\sigma }_{\epsilon }$ = 1.3。

3. 网格划分及边界条件

本文采用SpaceClaim建立模型，提取流体域并对边界命名，共享拓扑后利用FluentMeshing进行网格划分，由于城市风场和其中建筑群为规则六面体模型，故采用六面体和四面体混合网格。不考虑高层建筑和多层建筑内部对城市风场的影响，为减小网格计算量，故不划分高层建筑和多层建筑内部网格，将高层建筑和多层建筑内部网格设置为dead。为确保仿真的准确性，对风场的进出口和建筑群表面生成了15层边界层网格，划分后的网格如图2所示。

Figure 2. Environmental grid of urban building wind fields

图2. 城市建筑风场环境网格

风场上下边界面设置为无滑移壁面(wall)，两侧边界设置为对称边界条件(symmetry)。入口设置为速度入口边界(velocity-inlet)，且速度大小与高度的关系如式(4)所示。出口设置为压力出口(pressure-outlet)，风场出口与大气环境相连通，故设置表压为0 pa。

$\frac{\upsilon \left(z\right)}{{\upsilon }_{ref}}={\left(\frac{z}{z_{ref}}\right)}^{\alpha }$ (4)

式中，α为地面粗糙度，取0.3；z_ref为参考高度，取15 m；v_ref为参考高度处风速，取10 m/s。

4. 结果分析

对于高层建筑来说，其周围气流流动十分复杂，容易因为建筑之间的相互影响而产生回流涡旋，并影响临近多层建筑的气流形式，进而影响在建筑群周围通行人员的舒适度，因此选取高层建筑的1.5 m高度处截面进行分析[15] [16]。多层建筑较高处也容易受到高层建筑影响，导致风压改变，对多层建筑造成不利因素，故选取多层建筑2/3高程处(Z = 16 m)进行分析。高层建筑随着高度增大，气流速度也随之增大，在高程建筑之间容易相互影响，产生气漩，可能使建筑间的有害气体难以排出[17]，或造成墙皮脱落等风险，故选择高层建筑2/3高程处(Z = 60 m)进行分析[18]。

4.1. 1.5 m高程处高层建筑群位置对相邻多层建筑群城市风环境影响分析

图3为三种位置的高层建筑群1.5 m高度处压力分布。由图3可看出，当高层建筑群位于上游时，高层建筑迎风面受到的压力最大，此时高层建筑群前端区域为正压区域，后两排多层建筑1~6均处于负压区域。当高层建筑群位于中游时，多层建筑1、2、3处于正压区域，多层建筑4、5、6处于负压区域。当高层建筑群位于下游时，高层建筑迎风面受到的压力相比于上游和中游最小，这是因为此时高层建筑距风场入口较远，来流风经过1~6两排多层建筑后才到达高层建筑群，因此压力相对较低，此时多层建筑1~6均处于正压区域。不管处于何种位置，高层建筑群均对临近多层建筑群的压力分布产生显著影响。

Figure 3. Pressure distribution at 1.5 meters in high-rise building complexes at different locations

图3. 不同位置高层建筑群1.5 m处压力分布(a) 高层建筑群位于上游；(b) 高层建筑群位于中游；(c) 高层建筑群位于下游

图4为三种位置的高层建筑群1.5 m高度处速度分布。由图4可看出，当高层建筑群位于上游时，迎风面前端和两侧风速较大，高层建筑群对后两排多层建筑1~6能起到遮掩效果，多层建筑群区域流速较小。当高层建筑群位于中游时，前排多层建筑1~3气流流速较小，这也对应了此时前排多层建筑1~3处于正压控制区域，高层建筑群对后排多层建筑4~6能起到遮掩效果，高层建筑和后排多层建筑间隔区域风速较小。当高层建筑群位于下游时，前两排多层建筑1~6此时气流速度均较低，处于正压控制区域。不论高层建筑处于何种位置，其迎风面两侧和建筑间狭缝过道处均出现气流速度激增现象，高层建筑群对临近多层建筑群气流速度分布起到了显著影响。

Figure 4. Velocity distribution at 1.5 meters in high-rise building complexes at different locations

图4. 不同位置高层建筑群1.5 m处速度分布(a) 高层建筑群位于上游；(b) 高层建筑群位于中游；(c) 高层建筑群位于下游

4.2. Z = 16 m高程处高层建筑位置对相邻多层建筑城市风环境影响分析

图5为三种位置的高层建筑群在Z = 16 m高程处压力分布。由图5可看出，此时的压力分布与1.5 m处大致类似。高层建筑群前端为正压控制区域，后端为负压控制区域。当高层建筑群位于上游时，迎风面受到压力最大，后两排多层建筑1~6均处于负压控制区域，位于中游时迎风面受到压力略低于上游，前排多层建筑1~3位于正压控制区域，后排多层建筑4~6位于负压控制区域，位于下游时迎风面受到压力最小，前两排多层建筑均处于正压控制区域。在该高度下，三种位置的高程建筑群受到的最大压力均小于1.5 m高程处。这是因为随着高度增加，风场内风速增大，相应地压力就减小。

Figure 5. Pressure distribution of high-rise building complexes at different locations at an elevation of Z = 16 m

图5. 不同位置高层建筑群在Z = 16 m高程处压力分布(a) 高层建筑群位于上游；(b) 高层建筑群位于中游；(c) 高层建筑群位于下游

图6为三种位置的高层建筑群在Z = 16 m高程处速度分布。由图6可看出，在高层建筑群前侧区域气流速度较低，当高层建筑群位于下游时，多层建筑1~6的区域的气流速度都较低。高层建筑狭缝过道处气流激增，当高层建筑群位于上游时，其狭缝速度对后方多层建筑群1~6产生显著影响，气流速度较大。高层建筑群和多层建筑群前后相邻区域速度均较小，高层建筑群可以为后方的多层建筑群起到一定的遮掩作用。

Figure 6. Velocity distribution of high-rise building complexes at different locations at an elevation of Z = 16 m

图6. 不同位置高层建筑群在Z = 16 m高程处速度分布(a) 高层建筑群位于上游；(b) 高层建筑群位于中游；(c) 高层建筑群位于下游

4.3. Z = 60 m高程建筑位置对相邻多层建筑城市风环境影响分析

图7为三种位置的高层建筑群在Z = 60 m高程处压力分布。由图7可看出，无论高层建筑群处于上游、中游或者下游，其压力最大处均出现在高层建筑迎风面。当高层建筑群位于中游时，其迎风面收到的压力载荷最大，当高层建筑群位于上游时，其受到的压力载荷最小。高层建筑群迎风面均前方区域均为正压区域，临近背风面后方区域为负压区域。高层建筑群受到的压力几乎不受多层建筑群的影响，只和高层建筑群本身位置有关。

Figure 7. Pressure distribution of high-rise building complexes at different locations at an elevation of Z = 60 m

图7. 不同位置高层建筑群在Z = 60 m高程处压力分布(a) 高层建筑群位于上游；(b) 高层建筑群位于中游；(c) 高层建筑群位于下游

图8为三种位置的高层建筑群在Z = 60 m高程处速度分布。由图8可看出，随着高度的增加，城市风场内速度随之增加，高层建筑群两侧和狭缝过道处气流激增。高层建筑群在上游时流场内气流速度最大，因为此时高层建筑群距离流场入口较近，较大的气流速度撞击到高层建筑群两侧导致气流速度激增。高层建筑群位于中游和下游时，气流速度大小基本一致，高层建筑群能为后方区域起到遮掩效果。多层建筑群几乎不影响高层建筑群流速分布。

Figure 8. Velocity distribution of high-rise building complexes at different locations at an elevation of Z = 60 m

图8. 不同位置高层建筑群在Z = 60 m高程处速度分布(a) 高层建筑群位于上游；(b) 高层建筑群位于中游；(c) 高层建筑群位于下游

图9为三种高程下不同高层建筑群位置受到最大压力及速度。由图9可知，在1.5 m高程处，高层建筑位于上游、中游、下游，流场内最大压力和最大速度分别为170 pa、145 pa、140 pa和15.8 m/s、14.4 m/s、12.9 m/s；在16 m高程处，流场内最大压力和最大速度分别为148 pa、131 pa、125 pa和19.6 m/s、16.5 m/s、16.2 m/s；在60 m高程处，流场内最大压力和最大速度分别为216 pa、233 pa、226 pa和20.9 m/s、19.6 m/s、19.3 m/s。三种高程下，最大气流速度均随着高层建筑群位置向后移动而减小。在1.5 m和16 m高程下，最大压力随着高层建筑群位置向后移动而减小，在60 m高程下，当高层建筑群位于中游时压力最大，位于上游时压力最小。

Figure 9. The maximum pressure and velocity at different locations of high-rise building complexes under three elevations

图9. 三种高程下不同高层建筑群位置受到最大压力及速度

5. 结论

本文通过建立风场物理模型，利用CFD数值模拟技术，通过选取1.5 m处、多层建筑2/3高程处(Z = 16 m)和高层建筑2/3高程处(Z = 60 m)三种典型截面，研究了高层建筑群位于多层建筑群上游、中游、下游三种不同的工况下，对临近多层建筑群城市风环境压力载荷分布和气流速度分布的影响，得到了以下结论：

1) 流场内气流速度会在高层建筑群狭缝过道和两侧激增，这是因为当流量相同的气流从横截面较大区域转向较小区域时，为保证流量不变，速度则会增大。高层建筑群能对后方多层建筑群起到一定的遮掩作用。

2) 流场内最大气流速度随着高层建筑群位置向后移动而减小，这是因为随着距离增大，气流流场得到充分发展，后方气流速度低于前方。在1.5 m和16 m高程下，最大压力随着高层建筑群位置向后移动而减小。

3) 高层建筑群对前后方多层建筑群气流速度和压力分布均产生显著影响。高层建筑群迎风面前方为正压控制区域，这是因为在高层建筑群前方建筑物会阻挡气流流动，形成“气流堆积”，高层建筑近壁面此时气流流速很小，导致该区域空气压力增高，形成正压控制区。高层建筑群背风面后方为负压控制区域，这是因为高层建筑群背风面通常会有气流分离现象产生，气流流过高层建筑，会在其后方区域产生涡旋以及气流稀薄区，导致压力降低。

高层建筑群在下游时，多层建筑群此时均处于正压控制区，能稳定气流流动并减少冷空气渗透，可对前方多层建筑群起到保温作用；在上游时，多层建筑群此时均处于负压控制区，此时压力低于周围环境，能促进空气的流动交换，一定程度上可以加强空气间的对流传热，可对后方多层建筑群起到散热作用；在中游时两者兼顾。在设计高层建筑群在多层建筑群中位置时，应结合当地实际天气气候考虑。