建筑高度对建筑群行人高度处的风场及污染物扩散影响的数值模拟.pdf

文章编号：10088857(2023)03014706DOIDOI:10.13259/ki.eri.2023.03.002建筑高度对建筑群行人高度处的风场及污染物扩散影响的数值模拟谢海英，张天霄，杨怡（上海理工大学环境与建筑学院，上海200093）摘要：选取规则的高层建筑群，数值模拟了 7 种建筑高度布排下目标域内行人高度处的风场和污染物浓度场。建筑高度对风场和污染物浓度场有显著的影响，当域内建筑与周围建筑高度相同时，行人高度处的风速较小而污染物浓度在所有工况中最大；当域内建筑高度采用渐次或交错变化的布排方式且至少有 1 排建筑高度是周围建筑的 2 倍时，行人高度处的风速明显增强而污染物浓度变小；在域内建筑高度渐次增加的工况下，地面附近风速均匀且最强而污染物浓度最低。行人高度处的主流方向大多与来流方向一致或相反，与来流垂直方向的流动相对较弱。对流情况基本决定了污染物的分布特点，受地面回流和污染源位置的影响，7 种工况下污染物浓度均较低。关键词：建筑高度；数值模拟；行人高度；风场；浓度场中图分类号：X169文献标志码：ANumerical simulation on the impact of building height on windfield and pollutants diffusion at pedestrian level in abuilding groupXIEHaiying，ZHANGTianxiao，YANGYi(SchoolofEnvironmentandArchitecture,UniversityofShanghaiforScienceandTechnology,Shanghai200093,China)Abstract：Inaregularhigh-risebuildinggroup,windfieldandpollutantsdiffusionatpedestrianlevelwerenumericallysimulatedinsevencasesofbuildingheightarrangements.Buildingheighthassignificantimpactonwindfieldandpollutantsconcentrationfield.Whenthebuildingheightinthetargetregionwasequaltothatofthesurroundings,thewindvelocityatpedestrianlevelissmall,whilethelargestpollutantsconcentrationisobservedinallcases.Inthecasesofprogressiveorstaggeredincreaseofbuildingheight,thewindvelocityacceleratesobviously,andthepollutantsconcentrationdecreaseswhenonerowsheightinthetargetregionatleastistwiceofthatinthesurroundings.Theincreasingbuildingheightresultsintheuniformandlargestwindvelocityatpedestrianlevel,whilethesmallestpollutantsconcentrationisachieved.Themainstreaminthetarget region run primarily in the same or opposite direction as the incoming flow,while the能源研究与信息第39卷第3期EnergyResearchandInformationVol.39No.32023收稿日期：20220926第一作者：谢海英（1973），博士，讲师。研究方向：环境工程。Email：xiehaiying_perpendicular flow appears weak.The convection dominates the pollutants distribution.Thepollutantsconcentrationinallcaseskeepsatlowlevelduetothebackflownearthegroundandthelocationofpollutantsources.Keywords：buildingheight;numericalsimulation;pedestrianlevel;windfield;concentrationfield城市中鳞次栉比的高层建筑改变了当地的风环境，尤其是在行人高度处，人们的日常活动及地面附近的气态污染物扩散均有可能受到风场变化的影响。目前，研究者们主要采用风洞试验和数值模拟的方法分析高层建筑的形状、高度及布局等因素对行人高度附近的风环境的影响程度16。文献 1 比较了采用数值模拟法预测行人高度处流动的主要技术的优缺点，认为稳态时均流动法因其较低的计算成本仍是目前的主流方法。Hang等6研究了相邻建筑高度交替变化程度对行人高度处的通风和污染物通量的影响。文献 7 在分析流动机理和风洞试验结果的基础上，给出了单个高层建筑周围行人高度处风场的计算公式，但其结果只适用于正方形断面的高层建筑。文献8 的研究表明在低层建筑群中单个高层建筑可增加其行人高度处的时均和面均风速。已有的研究表明，千变万化的建筑形状、大小和布局使得建筑高度对行人高度处风场的影响变得复杂910，因此，本文选取规则的建筑群并考虑建筑高度可能的多种变化来研究建筑高度的影响规律，同时考查地面污染物的扩散情况，为建筑风环境的模拟分析和评价提供参考。1建筑群模型及设置本文参考文献 2 并设计了如图 1(a)所示的高层建筑群模型。该建筑群由 54 个单体建筑组成，在正对来流风向上共 9 排 6 列，每个单体建筑的长（L）、宽（W）及建筑间隔（D）均为30m。图1(a)中坐标系原点位于地面且 z 轴指向建筑高度方向，坐标轴 x、y 和 z 向的速度分别设为 u、v 和w。图 1(a)中线条围拢的区域为目标域，目标域上、下游建筑的高度 H0保持不变且均为 30m，域内的建筑高度有变化。污染源设为地面交通面源且紧邻目标域。由于流动的对称性，本文沿x 轴取建筑群的一半为计算域，见图 1(b)。为方便描述，目标域内的建筑用 Bij表示，其中 i 为排数，j 为列数，图 1(b)中 Hmax表示目标域中的最大建筑高度。计算域上游、下游及侧面边界与建筑群的距离设置见图 1(b)，计算域顶部距离地面为 5Hmax。风风污染源污染源目标域(a)高层建筑群模型(b)计算域目标域15HmaxB13B23B33B43B12B22B32B42B11B21B31B415Hmax5HmaxLDWyx0yxO图1建筑群及计算域布局Fig.1Schematicofbuildinggroupandcomputationaldomainsettings表 1 为本文设计的 7 种工况，其中 H1j表示目标域第 1 排建筑的高度，其余的以此类推。表1工况命名及描述Tab.1Nominationofcasesandtheirdescription命名目标域内的建筑高度/m工况1H1j=H2j=H3j=H4j=60工况2H1j=H2j=H3j=H4j=45工况3H1j=H2j=H3j=H4j=30工况4H1j=H3j=60,H2j=H4j=45工况5H1j=H3j=45,H2j=H4j=60工况6H1j=60,H2j=50,H3j=40,H4j=30工况7H1j=30,H2j=40,H3j=50,H4j=60148能源研究与信息2023年第39卷计算域进口的速度 u 分布11为u=Ur(z/H0)0.25（1）式中，Ur为高度H0处的来流速度，值为4.2ms1。进口处的紊流情况设置与文献 2 中的相同，计算域的出口采用出流条件，顶部、侧面和 y=0 的对称面均设为对称边界，地面和建筑物墙面均设为固体壁面。地面交通面源为离地 2m的区域，污染物设为一氧化碳(CO)，源的释放率 M0为 1107kgs1。计算域的离散和流动控制及污染物扩散方程的求解分别选用 ANSYSICEM 和 FLUENT软件完成。各工况下对近壁面附近的网格进行加密且最小网格尺寸约为 H0的0.5%1.0%，总网格数约为 2.351063.12106，所有工况均采用结构网格离散求解域。控制方程的离散格式和求解收敛的判定条件与文献 2,1213 中的相同，近壁处采用标准壁面函数法处理。本文的计算结果均为网格独立解。2建筑高度的影响2.1建筑高度对风场的影响为考查建筑对行人高度处风速的影响程度，同时考虑行人的呼吸区高度，本文定义 Rtop来评价行人区域风速的相对大小，有Rtop=U1.5Ur（2）式中，U1.5为离地 1.5m 处的风速。图 2 为 7 种工况下的 Rtop和流线分布。由图可知，在工况 1 和工况 6 下，相邻两列建筑间的气流以 Rtop为 0.20.6 的速度沿+x 向流动，在 Bi3的外侧，Rtop为 0.50.8，而在Bij的正后方，Rtop则小于 0.2。上述流场分布应与这两个工况的 B1j高度均为上游建筑的 2 倍有关，来流中 zH0处的气流在 B1j的迎风面的上半部被滞止，然后沿着迎风面向下流向地面，从而形成相邻两列建筑间的主流。由图 2(b)、(c)可知，当 B1j的高度为 1.5H0或 H0时，目标域内的主流方向逐渐由+x 向转为y 向，y 向气流来自于 Bi3的外侧并随着 x和 y 的减小而变弱，在流至 Bi2时，y 向主流的 Rtop减小至 0.2 左右。总体上看，y 向主流明显弱于+x 向的。在本文设计的工况中，Bi3的外侧均为空旷地带，这是y 向流动形成的主要原因。由于实际建筑群边界外多为一定宽度的道路、绿化带或其他建筑，空旷度相对较低，因此，y 的主流在实际建筑群中应更弱，域内的Rtop则更小。由图 2(d)、(e)和(g)可知，若 Bij的高度小于 B(i+1)j的,则这两排建筑间的流动在行人高度处为x 向的回流。图 3 给出了工况 4、工况 5 和工况 7 下在 y=90m 处的流场，图中可明显观察到上述地面附近有回流现象。值得注意的是，这种回流也发生在 B1j和其前排建筑之间。由于污染源位于此处，因此，该回流对污染物分布有重(a)工况 1x/my/m180150120906030180210240270300330360390 x/m180210240270300330360390 x/m180210240270300330360390 x/m180210240270300330360390 x/m180210240270300330360390 x/m180210240270300330360390 x/m1802102402703003303603900y/m1801501209060300y/m1801501209060300y/m1801501209060300y/m1801501209060300y/m1801501209060300y/m1801501209060300(b)工况 2(c)工况 3(d)工况 4(e)工况 5(f)工况 6(g)工况 70.8Rtop0.70.60.50.40.30.20.100.8Rtop0.70.60.50.40.30.20.100.8Rtop0.70.60.50.40.30.20.100.8Rtop0.70.60.50.40.30.20.100.8Rtop0.70.60.50.40.30.20.100.8Rtop0.70.60.50.40.30.20.100.8Rtop0.70.60.50.40.30.20.10图2行人高度处的 Rtop和流线分布Fig.2DistributionofRtopandstreamlinesatpedestrianlevel第3期谢海英，等：建筑高度对建筑群行人高度处的风场及污染物扩散影响的数值模拟149要的影响。实际上，该回流与街道峡谷中的掠流现象相似1416。总体上看，工况 7 下的目标域内的流动更均匀且大部分区域的 Rtop均大于 0.3。另外，与其他工况相比，工况 7、工况 5 和工况4 下 Rtop0.2 的区域明显较少。B12B22B32B42(a)工况 49060300B12B22B32B42(b)工况 5B12B22B32B42VelocityMagnitude/(ms1)VelocityMagnitude/(ms1)VelocityMagnitude/(ms1)876543210876543210876543210(c)工况 7x/m120 150 180 210 240 270 300 330 360 390 420 450 x/m120 150 180 210 240 270 300 330 360 390 420 450 x/mz/m9060300z/m9060300z/m120 150 180 210 240 270 300 330 360 390 420 450图3y=90m 时的流场Fig.3Flowfieldattheplaneofy=90m当建筑高度按 60m 和 45m 交替变化时（工况 4 和工况 5），目标域内行人高度处的流动变得 复 杂。在 工 况 4 下 B2j的 高 度 低 于 B1j和B3j的,这就导致 B2j和 B1j之间的流动为+x 向，而在 B2j之后流动又变为x 向。在 B3j之后，由于 B3j高于 B4j，流动再次变为+x 向。上述分析方法也适用于工况 5 下的流动。本文的模拟结果表明，改变目标域内的建筑高度可显著影响地面附近的风速和风向，工况7 下的高度设计可实现目标域内较强且均匀的流场分布。在工况 3 和工况 2 下，目标域内的建筑等于或略高于上、下游建筑的高度，此时Rtop165m）的 K 变大。在工况 4 下，B1j和 B2j之间的 K分布与工况 1 下的相似 见图 4(a)和(d)，B2j与 B3j之间地面附近的回流有效阻止了污染物的对流和扩散,这使得下游的 K 迅速减小。上述现象也同样发生于工况 5 和工况 7 下，尽管这两个工况下的回流发生于B1j和 B2j之间 见图 4(e)和(g)。3结论本文设计了 7 种不同高度的建筑群并数值模拟了建筑高度对目标域行人高度处的风速和污染物扩散的影响，得到以下结论：（1）当目标域内建筑高度均相等且是周围建筑的 2 倍时，域内行人高度处的风速较大，如域内建筑高度是周围建筑的 1.5 倍和 1 倍时，域内行人高度处的风速在 7 个工况下均为较小值；（2）当目标域内建筑高度不相等且至少有一排建筑的高度为周围建筑的 2 倍时，高度交错或渐次变化布排的方式均导致目标域内行人高度处的风速变大，其中高度渐次变高工况下的风速最大；（3）地面附近的流场基本决定了污染物的分布，在高度渐次变高工况下，由于地面附近的强对流使得行人高度处的污染物浓度最低，而当域内建筑与周围建筑的高度相等时，域内污染物浓度最大，但总体上看，7 种工况下的污染物浓度均较小。由于本文只讨论了规则建筑群的建筑高度对行人高度处的风场和污染物浓度场的影响，上述结论在实际的非规则建筑群中的适用性还需进一步的讨论和验证。参考文献：BLOCKENB,STATHOPOULOST,VANBEECKJPAJ.Pedestrian-levelwindconditionsaroundbuildings:review of wind-tunnel and CFD techniques and theiraccuracyforwindcomfortassessmentJ.BuildingandEnvironment,2016,100：50-81.1YANGY,ZHANGTX,XIEHY,etal.ImpactsofbuildinglayoutonpedestrianlevelwindcomfortandgaspollutantdiffusionJ.JournalofAirPollutionandHealth,2021,6(2)：117-134.2TOPARLARY,BLOCKENB,MAIHEUB,etal.AreviewontheCFDanalysisofurbanmicroclimateJ.RenewableandSustainableEnergyReviews,2017,80：1613-1640.3MITTALH,SHARMAA,GAIROLAA.AreviewonthestudyofurbanwindatthepedestrianlevelaroundbuildingsJ.JournalofBuildingEngineering,2018,18：154-163.4BLOCKEN B.50 years of Computational WindEngineering:Past,present and futureJ.Journal ofWind Engineering&Industrial Aerodynamics,2014,129：69-102.5HANGJ,LIYG,SANDBERGM,etal.Theinfluenceof building height variability on pollutant 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日，我国在压缩空气储能系统研发方面取得重大突破。由中国科学院工程热物理研究所和中储国能公司联合研发的国际首套 300MW 先进压缩空气储能系统膨胀机完成集成测试，顺利下线。储能技术是实现“双碳”目标的关键支撑技术。膨胀机是压缩空气储能系统的核心部件，对整个系统的性能具有决定性影响。研发团队先后攻克了全三维设计、复杂轴系结构、动态调节与控制等关键技术难题，研制出具有完全自主知识产权的国际首台 300MW 先进压缩空气储能系统多级高负荷膨胀机。8 月初，研发团队完成了 300MW 压缩空气膨胀机的集成测试，各项测试结果均达到或超过设计指标，具有集成度高、效率高、启停快、寿命长、易维护等优点。相比 100MW 先进压缩空气储能系统，300MW 先进压缩空气储能系统的规模提高 3 倍，单位成本降低 20%30%，效率提高3%5%。（王波）152能源研究与信息2023年第39卷