广州元邦住宅小区室外风环境模拟

所属栏目:城市规划论文 发布日期:2010-11-27 08:21 热度:

  摘要:风流过建筑物的现象是十分常见的,对类似现象的研究也是很有实际意义的,可以使建筑师们直观地了解建筑小区内的风场分布情况,帮助建筑师们对小区规划进行更合理的布局设计。本文通过利用PHOENICS软件对广州元邦绿洲小区的室外环境风场进行了模拟计算。
  关键词:PHOENICS,风场,风环境
  
  
  近年来,我国城乡都正在展开着人居环境建设。同时随着经济实力和生活水平的提高,人们对生活居住环境的要求不断提高,那么在我国住房改革后掀起的住宅建设高潮,如何为居住者提供一个良好的生活,休息娱乐的环境和场所,成为居住者和房地产开发商所共同关心的一个重要环节。尤其在南方地区,休暇时人们喜欢在户外活动,所以合理规划住宅小区的室外风场,以为人们提供良好的室外环境是非常重要的。
  在传统的小区规划与设计中,设计者主要是根据经验来考虑小区内风场的分布,最简单的方法就是在主导风向预留一个进风口,以使能够将风引入住宅区内,但是对于楼群布局的是否合理,建筑师们还是没有办法直观的得到。在理论上,对于风流过建筑物的现象主要有4种方法来进行研究,一种为:进行缩尺实验;第二种为进行风洞实验;第三种是根据发表的有关数据与使用类型进行计算,本文采用了第四种方法,即通过计算机对住宅小区的室外风场进行模拟。
  1. 模拟对象说明
  “元邦绿洲”住宅小区位于广州市白云区黄石路地段,南临黄石公路,西面为15m规划路,用地面积34902㎡。小区规划建设如图1示。
  1.jpg
  图1.元邦绿洲小区规划总平面
  潘俊(1979-):广东省人广州国夏建筑设计研究院建筑师兼广东工程职业技术学院教师研究方向:生态建筑设计,E-mail:157655991@qq.com,电话:15602205545
  高云飞(1976-):吉林省人,广东工业大学建筑与城市规划学院讲师,研究方向:建筑节能,E-mail:yunfei_gao@163.om,电话:020-62357745
  2.模拟计算方法
  对于吹过建筑物与建筑群中风流动的现象是一个三维湍流流动问题,这个现象与过程的控制方程仍然是Navier-Stokes方程与连续性方程。在进行模拟计算时采用了比较成熟且应用比较广泛的两方程模型进行数值计算,并且作为了稳态的情况进行处理。
  2.1气体流动的基本方程
  对气体流动的情况进行分析和简化,建立数学模型有:
  (1) 本模拟只是得出小区内的风场情况,在求解方程时没有进行温度变化,室外空气与墙壁等之间的热量传递,以及能量等的计算。
  (2) 空气的流速远远小于音速,属于低速流动,所以忽略能量方程中的压力项,同时引入了boudinesq假设,忽略了浮力的影响。
  (3) 在计算过程中,空气处理为常物性。
  基于上面的假设并应用两方程湍流模型,得到本次模拟的方程为[1,2]:
  (1)
  (2)
  其中:为Reynolds应力
  
  (3)
  (4)
  其中:,湍流粘度
  ,湍动能
  ,湍流能量耗散
  由上面的数学模型就可以组成一个包含六个方程,求解六个未知数的封闭方程组,求解出三维的速度u,v,w和压力p,以及湍动能k与能量耗散。
  
  2.2气体流动的边界条件
  小区风环境分析过程中边界条件设置如下:
  (1) 入口风速分布
  在近地大气层内风速是随着高度而变化的,为了使模拟结构更加准确,在入口边界设置了风与高度变化的关系式。风速轮廓线可以近似使用下面的式子进行描速[3]:
  (1)
  其中:――高度h处的风速;
  ――高度处的风速
  ――气象台风观测点的基准高度,一般为10m
   ――与地面粗糙有关的常数,
  A类:近海小岛,沙漠,,B类:乡村、田野、城郊,C类:建筑物密集的大城市。
  由于“元邦绿洲”小区为广州市内的一个住宅小区,所以地面粗糙常数应该属于C类。广州的平均风速约为1.9m/s[4],所以不同高度处的风速为:。
  广州城区夏季的主导风向为东南,在此模拟中风向采用南偏东15度。
  (2) 出口
  出口设置为自由出口,相对压力为0。
  (3) 壁面处理
  在模拟中,气体的流动会受到建筑物的影响,在模拟时采用了壁面函数法,并设建筑物表面为代摩擦的光滑墙壁。
  
  3.数值分析计算与分析
  小区最高层建筑为14层,高57m,在住宅小区内人们活动的范围是距离地面1.5m的近地区域,通过计算得到近地区域的风场分布情况如图2和图3所示。
  小区的主入口在东南方向,为夏季风进入小区内部提供了良好的便捷条件,同时,小区在东侧留出一定的开口,便于风的流通,利于小区内风流线的组织。参考图2可知,小区内部的主要公共活动区域可以获得良好的风速,风速范围约0.8m/s~2.1m/s,风速十分舒适,不仅可以为小区内活动的居民降温,而且不会影响人们的活动[5]。小区内有少部分区域风速较小,主要集中在小区的西北部,其主要原因在于建筑间空隙小,阻挡了风的流动。
  2.jpg
  图21.5m高度的风场分布
  夏季的东南风进入小区后,受到建筑的阻挡,在建筑群中形成漩涡且速度下降,如图3示,如果小区南侧的的建筑底层适当架空,将会为小区引入更动的风,利于小区内的空气流动与夏季降温。
  3.jpg
  图3风场垂直分布情况
  4.小结
  自然通风设计是建筑节能设计中利用自然资源的重要方面,对于居住建筑,自然通风更是一种经济、健康、受人们喜爱的降温方式。良好的建筑布局和规划是合理利用自然通风的前提,良好的规划布局不仅可以大量引入自然风,而且为小区内各单体建筑的通风创造了条件,因此,对小区进行风环境分析是十分必要的。借助计算机软件的环境分析可以有效的提供建筑师对环境利用效果的评估,及时改进方案,提高建筑设计水平,为居住者创造健康的高品质生活环境,为城市生态做出贡献。
  通过本小区建筑群室外风环境分析,可以了解到在广州地区进行住区环境设计时要注意将小区的东面、南面设置为小区的出入主入口,利于将夏季凉爽的风引入小区内,为小区的室外活动环境提供了有利因素,同时夏季风的引入,利于形成小区内部各建筑迎风面与背风面的压力差,为建筑单体的各用户通风提供了条件,提高了居民的生活质量。若在小区规划设计中适当配置植被、水体降温,在风留出的方向适当的给与流动通道,小区内的通风质量将更加提高。
  
  
  参考文献:
  1. 朱冬生,吴会军,邹华生,孙加龙.除湿系统中固定床内部气体流长的数值分析华南理工大学学报Vol.30.No.50.2002.5
  2. Y.P.ChangandR.Tsai,naturalconvectioninasquareenclosurewithacoldsource,int.comm.HeatMassTransfer,Vol.24,No.7
  3. 唐毅,广州高层住宅小区风环境模拟分析,南方建筑,2002,9
  4. GBJ19-87,采暖通风与空气调节设计规范[S].北京:中国计划出版社,2001:108-113
  5. 清华大学等.中国生态住宅技术评估手册[M].中国建筑工业出版社,2001:5

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