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摘要

建筑室外风环境与室内空气质量和人体热舒适度有着紧密的联系，会直接影响到人们的健康、生活质量以及建筑能耗。优化夏季自然通风同时也可以减少空调设备的使用时间，降低空调的能耗，若是节能建筑则更应该加强自然通风。然而，不合理的建筑布局、过高的建筑或是其他因素不仅会使行人在室外风的作用下感到不舒适，同时也会造成能量散失，供暖能耗增加，这种情况在冬季尤为严重。本论文将使用CFD技术，并参考武汉当地的风环境参数，对武汉大学工程学院教学楼和日照市某交易市场的风环境进行模拟、评估及优化。本文的研究将包含：1）武汉大学工程学院教学楼夏季通风情况较差，不符合中国绿色建筑节能标准。在冬季武汉大学工程学院教学楼周边产生的大风速会降低行人舒适度，同时为冬季防风还需额外的防风设计。2）通过对日照市现代交易市场规划进行风环境模拟，可以发现通过调整建筑物布置，调整后的设计二比设计一通风更好。运用CFD模拟技术将对既存建筑物的改建翻新和建筑设计与规划的优化起到指导作用。

关键词：风环境 自然通风 建筑环境 计算机模拟 CFD

第一章 绪论

风环境是指当空气流入和流出建筑群区域时对其产生影响的一种状态^【1】。风环境可以有利于建筑的设计与运作，原因是室外的空气流动可以为建筑室内提供自然的通风，并为建筑内提供舒适与健康的环境，同时达到节能的效果^【2】。自然通风在春季和秋季可以使温和的气候降温；改善春天炎热和干燥的气候；使夏季变得凉爽；使春季和夏季气候环境变得温和。自然通风也可以改善在一年中炎热和潮湿的气候环境^【3】。更重要的是，自然通风对炎热的夏季和寒冷的冬季有着重要的意义，特别是在中国中部的沿江地区，例如中国的武汉市。在夏季，自然通风可以带走区域内部建筑群体的热量。

在比较炎热的夏季和寒冷的冬季，风会对建筑物造成不利的影响，特别是在冬季，建筑周围的大风速会降低行人的舒适度。表1总结了不同的风速与人体感受的对照关系^【4】。表格将风归类为0（平静）到12（飓风）。风速通常指的是开放地形10m处风的速度。行人处的风速（大约距地面1.5m处）大致为列表所示风速的70%。维瑟^【5】将高于5m/s的风速与人的日常行为进行比照。数据如表2所示。例如，在某一个地区，全天平均风速高于5m/ s的天数的出现频率为每年2天（或风速高于5m/s的出现频率为200天/ 365天times;100 = 55％），那么步速比较快的行人将会感到不适。显然，当风速大于5m/s的时候大部分的行人都会感到不适。因此，减少建筑物周围产生的风速是十分必要的。

此外，在夏热冬冷地区，风环境优化非常重要的部分是在冬季减少区域内的风速保留住住区的温度，在夏季扩大风速，增强通风，优化区域中的热舒适度。本文武汉大学工程学院教学大楼和在中国日照现代交易市场的建设规划作为研究对象，采用计算流体力学（CFD）技术来进行风环境的数值分析。

第二章 风环境的分析方法

目前，有三种研究建筑外风环境的方法：现场勘查，风道测试和计算流体力学（CFD）模拟^【6】。

2.1 现场勘查

现场勘查是指进行定点勘测，收集最新资料。但是该方法的缺点也很明显，比如无法测量出真实的风环境情况，需要对地点进行大规模长时间的勘察，无法在设计阶段进行；Yafeng GAO介绍了关于空气流动的通过采用不同形式的城市建筑时的影响进行分析的研究。在分析中采用的数据为团队在雷丁大学的校园进行了为期一年现场测量所得的数据。确定气象和建筑布局的关键因素在于测量数据的详细程度。得到的数据和他们随建筑变化而变化的详细情况都被一一记载。图1为实验现场天气测量的情况。

2.2 风洞试验

风洞实验是可靠性较高的风环境研究方法。 Gandemer^【8】通过进行风道实验模拟了几种可能会在建筑物周围发生的空气动力学效应。这样的效应可以详细地解释城市环境中的空气流动的情况。例如，可以在两个间距狭窄的建筑物之间观察到Ventura效应。在这种情况下，流动的空气在这种距离的空间中（Ventura缺口），将会被限制在两边的建筑墙体间。风速在这个区域内将得到提升直到气流离开这个狭窄区域，风速才会减小。另一个效应是边角效应。气流在经过建筑物拐角，在半径相当于建筑物宽度的范围时，正负气压会相互作用，使气流变得不稳定。Kubota 等人^【9】通过进行风道实验研究了行人高度的平均风速与实际住宅区建筑密度之间的关系。这些居民区被选择来代表不同覆盖率的建筑群和不同高度建筑。他们通过风洞试验得出了详细的数据，并着重指出了覆盖率和平均风速间的重要关系，即建筑密度的上升将会导致风速下降。这些实验为在考虑日本的气候条件的情况下，通过规划独立式住宅或公寓楼以取得合适的风环境提出重要的指导意见。图2为放置在风洞试验中的模型。

2.3 计算流体力学（CFD）模拟

利用计算机对建筑物周边运动规律遵循动力学方程的风场进行数值求解，进而模拟出建筑物周边真实风环境的过程被称为计算机数值模拟。随着计算机技术的发展，计算机的运算与存储能力逐年提高，利用计算机对建筑物进行风环境模拟的过程也越来越快捷，在较短周期内即可对城市街区风环境这样大型、复杂问题完成数值模拟。它是分析流体流动性质的技术，用来描述流体传热和

传质，能针对各种复杂的流动进行机理分析。 在 20 世纪 60 年代，CFD 技术主要被用于航天飞行器的研发，后来又被广泛应用于交通工具和燃气轮机的设计和制造，现如今，CFD 技术在城市规划、建筑采暖和空调、火灾烟气流动甚至建筑环境工学领域都得到了广泛应用。通过利用 CFD技术设置合理的边界条件和参数，对研究范围内的流体建立正确的湍流模型，就可以在时间和空间上准确快速的求解环境中的三维流场、浓度场和温度场。根据对所得到的求解结果进行合理分析，可以实现设计方案的不断优化，从而更好地指导工程实践。 自1974年来该项技术就被广泛运用于工业领域。最近几年，研究人员也将CFD运用于建筑环境的模拟。Cheung JOP^【10】使用CFD技术探究了建筑物对室外自然通风的影响。优化建筑朝向是在复杂环境中增强自然通风表现的可行方法之一。SUN Z^【11】基于CFD模拟技术，通过结合带有通风系统的通风房间提出了优化室内环境的方法。图3为CFD的模拟情况。在本文中，将使用PHOENICS软件进行CFD模拟分析。PHOENICS^【12】采用标准k-ε模型^【13】，与较为简单的算法^【14】。通过PHOENICS计算可以模拟空气流动和热传递，它是世界上第一款商用计算机流体力学软件。本文将模拟建筑周围的风速及风压。

第三章 建筑群室外风环境模拟分析

本文将通过武汉大学工程学院教学楼及日照市现代交易市场设计研究室外风环境设计。

3.1 武汉大学工程学院教学楼

武汉位于中低纬度，属于亚热带季风气候，四季分明，阳光充足，夏季炎热，冬季寒冷，无霜期长。武汉市总面积为8467平方公里，其中市区面积3963.6平方公里，南北最大纵距15公里，东西最大横距134公里；南至江夏区湖洒乡刘均堡村，北端黄阪区蔡店乡下段家田村，东连新洲区柳河乡将军山，西接蔡甸区成功乡窑湾村。武汉市年平均气温为16.2至16.7度，冬季主导风向为东北风，夏季主导风向为东南风。根据武汉气象资料，武汉市年平均风速为2.5~2.9m/s，平均风速达到3m/s以上，全年30%的天数平均最大风速可达14~19m/s。近几年每月的主要风向和武汉的风频率见表3。

在夏季和冬季主导风向可以从图4中武汉风玫瑰图得到。在夏季和东北风东南风，冬天的典型工作条件是由PHOENICS模拟，使工程学院武汉大学教学楼可以在技术层面进行分析。图5显示了CFD模拟风向布局。

图6为Jingtang He（中国工程院院士）设计的武汉大学工学部教学楼模型。根据许多学生在校园内的调查，由于武汉大学工程学院教学楼在风环境的影响上使得周围的风环境恶化，室外风的舒适程度与教学楼有关。同时武汉大学工程学院教学楼主楼过高（约65米高度），影响到了武汉大学的景观轴。大学想要删除一半主楼。由于在删除一半主楼之后可能对风环境有所影响，大学对工程学院教学楼周边的风环境进行了研究。

武汉大学工程学院教学楼的模型可以通过AutoCAD来进行建立。 （图7，左图为武汉大学工程学院原来的状态，并右图为武汉大学工程学院教学楼主教学楼的拆除一半楼层的状态）图7是在CFD中教学楼和主要对象的简化模型。该模型的边界设定为1200mtimes;1200米times;200米，模型缩放是1：1；起点高度为0米。数学模型和控制方程选择完成之后，还必须确定合适合理的边界条件，只有确定了合适的边界条件，才能使CFD模拟的情况尽可能接近真实的风环境状况。为了分析在武汉大学工学部教学楼周边的风速和风向，需要在模拟该地块前在模拟软件中设置输入在上文中已经到的风速和风向的频率曲线。入口被定义为在典型的工作条件下计算PHOENICS速度入口边界条件夏季（东南风，风速3m/s）和冬季（东北风，2.8m/s）。出口被定义为自由流出边界条件。图8至11是工程学院的教学楼和拆除一半主体建筑后夏季和冬季行人高度的风速分布。从图8和图10之间的比较可以看出，在夏季整个教学楼区域由于主体建筑过高导致通风不良。围绕主教学楼后面的教学楼风速急剧下降。并且建筑旁的风影区面积增大，这种情况十分不利于建筑外的自然通风。武汉大学工程学院教学楼附近整个区域的平均风速在去除教学楼主楼的一半主体建筑之后（约30米）后得到了增大。从中可以看出，去除教学楼主楼的一半主体建筑是必要之举，去除一半主体建筑之后，不仅促进了工程学院教学楼外周边环境的自然通风，改善了附近的舒适性，通过改善自然通风还可以减少夏季时建筑内空调设备的使用，在武汉夏季炎热的环境中节约空调能耗。此外，在主教学楼有一天学生经常需要通过的主干道，该道路区域的风速较大，特别是在室外平均风速本身就比较高的时候，风速比（指数风环境评价）几乎接近2，这个数值意味着，该道路通行区域的风速过大，若是在冬季，就会大大降低通过学生的舒适度。因此，去除武汉大学工程学院教学楼主楼的一半主体建筑，不论是对冬季防风或是夏季通风都有利。

3.2 中国日照市现代交易市场规划

日照现代交易市场是由设计者和他的设计团队设计的一个中国日照市的建筑招标项目。该项目是一个商业综合体的设计，设计规划中包括了酒店、商业、办公、住宅等区域。设计者们为了获得一个更加优秀的设计方案，所以本文对其进行了模拟研究。由于两者的设计方案均能满足建筑功能和形式的设计要求，笔者希望通过使用计算流体力学CFD的方法来对该地块进行风环境模拟，从而更好地对两个设计方案的优劣进行判断。图12显示了最终的设计总体规划和三维鸟瞰图绘制。日照市现代交易市场的两个计划AutoCAD模型如图13所示。从图13中可以看出，在建筑形式上，两个计划之间有一定的差异。设计方案二的A区域，将两边沿着道路的商店取消，使A区域更为开放的。（B、C、D）地区拆除底层的建筑物，使步行街南北相接。（E）区域降低了商业街的折角和建筑形体上的角来取得更好的自然通风。

PHOENICS软件模拟计算边界条件根据风玫瑰图日照市设置为夏季典型工况下（东南风，3.7m/s）和冬季（北风，5m/s）。图14至图17是现代交易市场设计方案一和二两个方案的夏季和冬季行人高度1.5m处的风速云图。通过比较图14和图16中的情况，设计方案二的平均风速比设计方案一的风速更高，这意味着在夏季工况下设计方案二的建筑外风环境情况比设计方案一的风环境情况好。此外，设计方案一的低风速区域远远多于设计方案二的低风速区域，而设计方案一中过多的低风速甚至静风区将会导致该区域内的消费者或居民舒适感的下降。在设计方案二中，A区域的风速也远大于设计方案一A区域的风速。设计方案二的B，C，D区域的风速相比于之前也得到了明显的提升。因此，通过改变区域内建筑物的形体、布置、设计规划，可以优化整个区域内建筑群室外整体的自然通风，提高建筑外行人或消费者在夏季的舒适度。对图15与图17两幅图的模拟情况进行比较，图2在A、B、C、D区域的风速分布比较均匀，从中可以看出设计优于设计方案一。现代交易市场中心附近的风速比（风环境评价指数）并没有达到2，通过该评价指数可以表明现代交易市场区域内的风环境是合适合理的，在冬季可以为消费者和行人创造一个良好的风环境。因此，设计方案二通过改变建筑物的形体设计，使得该区域在夏季和冬季都有利于通风。

风环境分布通过模拟和分析夏季以及冬季的风场的空间变化规律，可以直观地观察到武汉大学工程学院教学楼对周围风环境的影响和改变建筑体型设计对附近的风环境的影响。

因此，我们可以得出三个结论：

1）在建筑群体的规划和建造时使用包括PHOENICS等CFD模拟软件应该成为标准。由于风环境影响能源的使用和风环境的舒适性，建筑群体的布局和定位应有利于自然通风，增加区域内空气流通量。

2）高层建筑的背风面风影区范围的不同，而在建筑的迎风面会产生风速较高的区域，区域内的大风速会对周围的风环境产生严重的影响。

3）改变建筑群体的布局和形式可以优化风环境，减少对空气流动的阻碍，使整个建筑群的风速分布均匀合理。

第四章 总结

本文讨论了对风环境有实际优化作用且可行的建筑规划设计中的方法，例如现场勘查、风洞试验、计算流体力学。CFD可以提供详细而有用的数据，最近几年渐渐成为成为有竞争力且受欢迎的设计工具。在模拟分析建筑群外风环境时同时提到了如何收集风环境中的参数，提出优化

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