风环境分析范文

风环境分析范文（精选7篇）

风环境分析 第1篇

1CFD模型

1.1 数学模型

居住小区内风的流动属于不可压缩、低速湍流。由于气流与建筑物的接触形成限制流,而标准K—ε模型对于限制流(有壁面约束)具有较好的效果[1],并且标准K—ε模型计算成本低、预测较为准确,因而选择标准K—ε模型来模拟居住小区风环境[3]。

1.2 物理模型与计算区域

为了便于数值分析,提高计算速度,利用相似性原理,将建筑物按照一定的比例缩小,并将建筑物形态理想化为长方体。根据相关资料[3],确定住宅小区流场模拟的计算空间尺寸:来流方向(上游区域)为建筑物宽度的3倍、出流方向(下游区域)为建筑物宽度的10倍、宽度为建筑物宽度的6倍、高度为建筑物高度的3倍。

1.3 边界条件

1)来流面梯度风的选取。由于地表摩擦的作用,接近地表的风速随着离地高度的减小而降低。只有离地300 m～500 m以上的地方,风速才不受地表的影响,可以在大气梯度的作用下自由流动。来流风速的变化规律[4]表示为:

$\frac{U{}_z}{U{}_0}=\left[\frac{z}{z{}_0}\right]{}^m$。

其中,Uz为高度z处的水平方向风速;U0为参考高度z0处的风速;m为由地形粗糙度所决定的幂指数。

对于房屋较稀疏的中小城市和大城市郊区,取m=0.16[4]。夏季南风、东南风来流风速取平均风速2.5 m/s,冬季西北风来流风速取平均风速3 m/s(10 m高处气候资料)。

2)出流面的边界条件。假设出流面上的流体已充分发展,流体已恢复为无障碍物阻挡时的正常流动。同时设其出口压力为大气压。

3)上侧面及两侧面的边界条件。由于选取的计算区域较大,上侧面和两侧面的空气流动几乎不受建筑物的影响,因此可设为自由滑移表面。

4)建筑壁面及下垫面的边界条件。由于标准K—ε模型仅适用于离开壁面一定距离的完全湍流区域,在固体壁面附近,由于层流粘性作用影响加强,必须对标准K—ε模型加以修正,文中采用壁面函数法加以修正建筑物边界区[5]。

2 居住小区风环境模拟与分析

建立一个3×2形式的居住小区行列布置模型,应用PHOENICS计算流体力学软件对其进行分析。选取地面1.5 m处水平面(对人的活动产生影响的区域)为观察面。首先模拟分析夏季南风时,居住小区模型内流场分布状况见图1。

由图1可以看出,气流的流速因受到建筑物的阻挡而减小,居住小区背风侧形成“风影区”,并在后排建筑物背风面形成两个对称分布的回流区。在前排迎风建筑物两侧边角处以及南北走向道路入口处的风速在风压作用下增大。气流贯穿南北走向道路形成导风巷,并且风速从入口到出口逐步递减。由于建筑物之间的风速小于南北走向道路内的风速,从而使前者气压大于后者气压,建筑物之间的流体在压力梯度的作用下,由两侧向中间流动,并与南北走向道路内流体汇合,最后进入“风影区”。

在夏季东南风情况下,居住小区模型内流场分布状况见图2

由图2可以看出,此时的居住小区迎风面呈」型,迎风面建筑物边角处的气流流速大于来流流速,小区西南角的风速最大。气流以一定的角度从东侧建筑物之间进入居住小区,且气流在建筑物之间由东向西流动,形成导风巷。建筑物之间气流在流经南北走向道路时,由于受到交叉口处南北向气流的影响,其流向出现南北向的小幅度摆动。在居住小区西北方形成“风影区”,并且在其东北角建筑背风面形成一个小回流区。

在冬季西北风情况下,居住小区模型内风环境的状况见图3。

由图3可以看出,此时的居住小区迎风面呈「型,迎风面建筑物边角处的气流流速大于来流流速,小区东北角处的风速最大。气流以一定的角度从西侧建筑物之间进入居住小区,建筑物之间的气流由西向东流动,并同样受到交叉口处南北向气流的影响,出现南北向的小幅度摆动。在居住小区东南方形成“风影区”,并在其西南角建筑背风面形成一个小回流区。

通过比较图1,图2,图3可以看出:在夏季南风时,建筑物之间气流的流动性较差,并且后排建筑受到前排建筑风影区的影响,小区通风效果较差;在夏季东南风时,建筑物之间气流的流动性较好,有利于建筑物夏季散热与降低湿度,但风向的摆动易形成小回流;在冬季西北风时,建筑物之间风速的增加必然会对冬季采暖造成不利影响,从而增加能源消耗。同时,居住小区局部风速过大,会对小区居民生活带来一定的影响。

3 结语

1)居住小区应尽可能地避免周边布置形式,此形式使得夏季气流无法进入小区,并极易在小区内形成回流区,因而不利于小区夏季通风散热。2)在小区北侧和西侧种植高大的防风树,树种应选用常青树种,以减弱冬季西北风进入小区的风速,减少建筑热损失。同时,这些树木还可以有效地减轻太阳对西侧墙的照晒。3)加强小区东侧和东南侧的绿化可以有效地降低夏季来流温度,并引导气流进入小区,有利于小区夏季通风散热。4)居住小区可以采用建筑错列布置、长短建筑结合布置或居住小区开口迎向主导风向的方法提高夏季通风效果。5)可以在建筑北立面种植喜阴植物、南立面种植喜阳植物,有助于夏季遮阳和冬季削弱建筑物之间的风速。同时,绿色植物还可以改善小区人居环境。6)小区北侧建筑立面外窗采用气密性较好的窗构件,可以在一定程度上降低冬季风的渗入量,有助于节能降耗。7)可以在小区内采用高低建筑结合布置,将较低的建筑布置在夏季主导风向上,增加建筑迎风面,从而改善了小区夏季通风状况。8)合理规划小区周边建筑布局,使各建筑群之间相互协调,以削弱周边“风影区”对小区通风的不利影响。

参考文献

[1]李万平.计算流体力学[M].武汉:华中科技大学出版社,2004.58-59.

[2]代琳.现代居住环境设计初探[J].山西建筑,2005,31(9):41-42.

[3]杨洁,涂光备,易传雄.设有空中花园的高层住宅建筑自然通风的研究[J].暖通空调,2004,34(3):1-5.

[4]钱以明.高层建筑空调与节能[M].上海:同济大学出版社,1995.59-60.

某厂区室外风环境模拟分析 第2篇

随着科学技术的高速发展和城镇化进程的加快，建筑单体的形式越来越多样化，建筑群的布局也愈加的复杂，随之而带来的室外环境的变化也正影响着人们的生活方式。制造业厂区作为一个较为典型的区域，如何改善其区域的建筑室外环境显得尤为重要[1,2]。因此从其规划设计阶段开始，对整个厂区建筑群进行风环境模拟分析，可以尽可能的避免建设及使用过程中带来的不利影响，并能够为自然通风设计提供较好的设计依据。本文将通过对西昌市某制造业厂区的风环境模拟分析阐述这一问题。

随着计算机技术的发展，人们研究室外气流流动的手段已经不仅仅满足于采用风洞试验的方法，近年来快速发展的CFD(Computational Fluid Dynamics)计算流体力学解析方法为室外风环境的模拟开拓了新的思路。本文将采用CFD软件FLUENT进行室外风环境模拟分析。

1基础数据

本项目位于四川省西昌市西郊，根据当地气象站资料统计[3]:冬季通风室外计算温度6.9℃;夏季通风室外计算温度26.3℃;夏季通风室外计算相对湿度57%;冬季室外平均风速1.4 m/s;冬季室外最多风向的平均风速1.7 m/s;夏季室外平均风速2.2 m/s;冬季最多风向NNW;冬季最多风向的频率9%;夏季最多风向S;夏季最多风向的频率7%;年最多风向N;年最多风向的频率9%;冬季室外大气压力84 067 Pa;夏季室外大气压力83 423 Pa;极端最低温度-3.8℃;极端最高温度36.6℃。

2数值模拟方法

2.1几何模型和网格划分

为了提高计算速度，在不影响计算精度的前提下，对模型进行适当的简化，合理的忽略后可以使网格划分得到大大简化。由于风场的作用范围较大，计算区域按照本建筑群的最长最宽处5倍选取，高度方向选取200 m。本区域范围内东西、南北坡度均较小，因此在建模时对模型底面做了简化处理，按照同一高度处理(图中Z轴负方向为正北方向)。

2.2数学模型

建筑物在大气边界层内作为风流动中的障碍物存在，其周边的流动由气流撞击、分离、再附着和环流等物理现象组成，按湍流作用下的钝体空气动力学理论[4,5]，建筑周围的流动风是大气边界层中的低速不可压缩湍流过程。流动风的基本控制方程包括质量和动量守恒方程，如果仅考虑稳态效应，则还需引入湍流封闭模型。基于RNGk-ε湍流模型的湍流控制方程如下:

连续性方程:

动量方程:

湍流动能k方程:

耗散率ε方程:

式中，ui-xi方向的风速瞬时值，(m/s);p为压力，(Pa);ρ为空气密度，(kg/m3);vt为涡动黏性系数，(m2/s);gi为重力加速度，(m2/s);β为空气的体积膨胀率，(1/K);θ为温度，(K);k为湍流动能，(m2/s2);Gk为湍流动能k的浮力生成项，(m2/s3);Pk为湍流动能k的速度梯度引起的生成项，(m2/s3);σk为1.0;σε为1.3。

2.3计算方法及边界条件

来流边界条件的确定，引入梯度风大气边界层的概念(见图3)，即通过对当地基本风速、地形条件以及所在高度等的描述，确定该位置的平均风速，具体公式如下[6]:

式中，Umet为附近气象站的风速测量，(m/s);Hmet为风速计的高度，(m);amet为气象站的地形因素;dmet为气象站边界层厚度;a为所需位置的地形因素;d为所需位置的边界层厚度。根据所模拟区域周围的地形类别，可以定性为四类。

本文采用有限容积法对上述偏微分方程组进行离散，其中对扩散项采用中心差分法，而对流项采用二阶迎风格式离散。采用SIMPLE算法进行压力与速度的解耦，避免出现不合理的压力和速度。

3模拟结果及分析

根据《绿色建筑评价标准》中规定[7]:建筑物周围人行区风速低于5 m/s，不影响室外活动的舒适性和建筑通风。条文说明中阐述如下，建筑物周围人行区1.5 m高处风速宜低于5 m/s，以保证人们在室外的正常活动。此外，通风不畅还会严重地阻碍风的流动，在某些区域形成无风区和涡旋区，不利于室外散热和污染物消散，因此也应尽量避免。以冬季作为评价季节，是基于多数城市冬季来流风速在5m/s的情况较多。

夏季、过渡季自然通风对于建筑节能十分重要，此外，还涉及室外环境的舒适度问题。大型室外场所的夏季室外热环境恶劣，不仅会影响人的舒适程度;当环境的热舒适度超过极限值时，长时间停留还会引发高比例人群的生理不适直至中暑。对于大型公建，可以结合通风评价室外热舒适情况。

另外为避免冬季因为建筑物前后压差过大造成的门窗渗透，冬季建筑物压差应不大于5 Pa;夏季建筑物压差保持在1.5 Pa左右，避免出现局部漩涡和死角，保证室内有效的自然通风。

图4为夏季厂区1.5 m高度人行区风速矢量图，风来流方向为正南方。如图所示，本区域最低风速约0.3 m/s，最大风速大约为3.0 m/s，速度维持在1 m/s左右，最低风速出现在建筑物的凹角处，最高风速出现在建筑群的东西两侧。整个区域风速均没有超过绿建评价标准规定的5 m/s，因此，认为该区域的风环境处于舒适度要求的范围之内。

图5为冬季厂区1.5 m高度人行区风速矢量图，风来流方向为北偏西北方。如图所示，本区域最低风速约0.4m/s，最大风速大约为2.7 m/s，速度维持在1 m/s左右，最低风速出现在建筑物的凹角处，最高风速出现在建筑群的西侧。整个区域风速均没有超过绿建评价标准规定的5m/s，因此，认为该区域的风环境处于舒适度要求的范围之内。

从整个流场分布来看，没有形成大的涡流区影响整个区域的空气质量。但在局部建筑的凹角处形成了涡流区，这些区域需要注意防止污染物的聚积，环境卫生需要特别注意，以防止这些区域的环境空气质量下降。

图6～8为夏季1.5 m高度人行区及建筑表面风压力图，可以看到，对于建筑前后表面，多数建筑前后的平均压差均不大于5Pa，满足《绿色建筑评价标准》规定。但是在建筑群东南角的建筑，南面迎风面出现风压极端情况，这是因为这些建筑面位于迎风面上，因此这些建筑的前后表面风压压差较大，建议在该建筑南面地区种植行道树等绿化植物，以降低夏季来流的风速，降低风压。同时可以观察到图7和图9冬季1.5 m高度人行区及建筑表面风压力图，同样的情况会出现在区域北面的建筑上，模拟结果显示的压差没有达到5Pa，不需要做防护，但是也应该引起设计者的关注。

4结论

环境中风的状况直接影响着人们的生活，而风环境状况不仅仅与当地气候有关，还与建筑物的体型、布局等因素有关。上面分析实例可以看出，建筑群规划布局，不仅是建筑师单方面的经验设计，结合一定的CFD模拟，会对建筑区域的合理设计起到更有利的帮助作用。因此在规划设计的初期就对建筑物周围风环境进行分析，并对规划设计方案进行优化，将有效地改善建筑物周围的风环境，创造舒适的室外活动空间。

摘要：介绍西昌某制造业厂区工程概况,引入梯度风的概念,采用CFD计算流体动力学方法对该区域内风环境进行了数值模拟计算。分析了小区内建筑分布与风场的关系,为该地区厂房区域建筑布局的规划建设提供指导和优化途径。

关键词：西昌,厂区,风环境,数值模拟,建筑布局

参考文献

[1]赵福云,汤广发,刘娣,等.住宅小区风环境数值模拟[J].暖通空调,2005,35(1):120-125.

[2]王冬梅,刘惠,郝桂珍,等.北秀蓝湾小区风环境模拟分析[J].住宅产业,2009,(2).

[3]中国建筑热环境分析专用气象数据集[Z].北京:中国建筑工业出版社,2005.

[4]陶文铨.数值传热学[M].西安:西安交通大学出版社,2003.

[5]金斯科,龚延风,陈丽萍.苏州玲珑湾小区建筑风环境数值模拟分析[C].2009年全国暖通空调专业委员会空调模拟分析学组学术交流会.

[6]Fluent inc.Fluent 6.3User's Guide[Z].

风环境分析 第3篇

1. 风环境模拟分析与建筑形体布局对比

本文以中国整形外科医院改扩建竞标方案作为案例分析, 该方案位于北京市石景山区, 基地东西长约300米, 南北长约160米, 占地面积为62923平方米 (面积计算准确吗?我计算是48000) , 用地内地势平坦, 基地周围交通便利。地块东侧临八大处路, 西临疗养院路, 南侧为永定河引水渠, 北侧为院区家属院和协和医科大学护理学院。

在该建筑设计前期, 主要有两个概念方案, 各有其特色, 但其建筑形体布局有着较大不同。现以北京的自然气候条件为基础, 从绿色建筑理念出发, 以国家绿色建筑评价标准中对风环境的要求作为参考, 运用流体模拟软件Airpak, 对整形外科医院的两个方案进行冬夏两季室外风环境的仿真模拟, 从而为整形医院取得良好的建筑通风, 减少建筑能耗, 避免污染物扩散, 创造舒适的室外环境提供模拟成果及理论支持, 为建筑方案的对比和筛选提供依据;同时, 该模拟结果可以用来指导该医院建筑布局的优化以及室外景观的合理布置, 为患者创造一个更加适宜的休养康复环境。

北京冬季主导风向是西北风, 夏季是东南风。石景山区, 4月平均风速为全年之最4.7m/s。在建筑风环境模拟过程中, 取风速为5m/s, 测试建筑室外风环境;本文将分别模拟以下两个设计方案的冬季和夏季风环境, 来对比探讨不同建筑方案的自然通风, 行人舒适度、污染源扩散、气压差值等方面的问题。

1.1 方案一模拟分析

如图1中方案一示意图所示, 该方案南北对称式, 南北各有东西向条状住院楼, 中间为门诊医技楼, 它们共同围合的空间为一个下沉庭院, 适于患者在其中休息与交流;垃圾处理和动物实验区域在西南角, 设计中要充分考虑其污物和废气对院内的影响;人行道和院落分布在建筑体块之间。此方案冬夏两季的建筑室外风环境模拟结果如下:

分析方案一模拟分析图可以得出以下结论:

(1) 院内风速:在图2中, 分析冬夏两季1.5m高处的速度矢量可以看出:冬季风从西北角吹来, 风速为5m/s, 经过院内建筑再从东南角离开, 风速减小幅度较大;分析速度云图可以看出, 院内风速均匀, 人行道路上没有超过5m/s的不适风速, 也无静风区;在图2中分析夏季风速度矢量图和云图, 可以看出, 夏季风从东南侧吹过来, 院内的几大围合区域如东侧入口广场、西侧内院皆有一定的风速, 并且绝大部分区域气流通畅, 没有涡流区和静风区, 整体来说通风气流条件较好。

(2) 污流排散:医院内主要污染源为垃圾处理处和动物实验区域, 它们位于基地西南角。在图2中, 分析冬夏两季1.5m高处的速度矢量可以看出, 冬夏季污浊气体的方向都是背离医院散去, 不会吹入院内, 并且没有产生漩涡区, 污浊气体不会滞留, 从而不会影响院内清洁。

(3) 气压差值:从图2中冬季1.5m处气压图可以看出, 作为西北角第一排的两栋建筑迎风和被风两面气压差大于5pa之外, 应做好建筑防风, 比如加强建筑构件防风处理或者种植常青树种在其北侧;除此之外的其余部分, 如南北住院部的气压差值都较小, 可以减少冬季大气压值引起的热量流失及额外的能源消耗。如图2中夏季1.5m处气压图所示, 南边住院部气压差值大于5pa, 北边建筑可开启外窗室内外表面的气压差都大于1pa, 都优于绿色建筑评价标准, 有利于室内自然通风, 在提高室内舒适度的同时, 减低了空调使用带来的能耗。

1.2 方案二模拟分析

如图1中方案二示意图所示, 该方案西北角为两栋住院楼, 并且围合成一个室外休息西北庭院, 西南角为主要污染气体来源:科研楼、动物实验楼, 东部为门诊医技等, 东西建筑之间为一条南北向开敞的主要景观轴, 建筑之间用连廊连接, 该方案建筑风环境模拟结果如下:

分析方案二模拟分析图可以得出以下结论

(1) 院内风速:分析图3中冬季1.5m高处速度矢量图, 可以看到冬季风从西北角吹来, 在住院部围合的西北庭院中, 虽无风速过大情况, 但是形成了一定的回旋涡流, 不利于保证空气洁净;再看图3中冬季1.5m高处速度云图, 科研楼与住院部之间的走道空间, 冬季风速较大, 近一半面积处于3m/s—5m/s之间, 不适合患者在此行走和休息活动, 同时建筑表面寒风过大容易过多地带走建筑物热量。分析图3中夏季1.5m高处速度矢量和云图, 可以看出夏季西北庭院被南边建筑阻隔, 庭院内风速较小, 不利于通风散热, 在夏季也不适合休息活动。从风速分布角度来看方案一优于方案二。

(2) 污流排散:院内主要污染源为科研教学中动物实验区域, 位于基地西南角, 从图3中冬夏两季速度矢量图来看, 夏季的污浊空气对院内影响不大, 背离医院散去;但是在冬季, 污浊气体将会由实验楼与住院部形成的狭长走道中吹向住院部, 影响院内清洁, 由此比较, 方案一要优于方案二。

(3) 气压差值:从图3中冬季1.5m处气压图可以看出, 冬季南北住院部气压差值相对方案一要大一些, 且最北住院部与迎风面第二排的医技楼气压差都大于5pa, 显然容易引起的热量流失及额外的能源消耗。分析图3中夏季1.5m处气压图, 看出夏季南北住院部气压差值都较大, 有利于室内自然通风, 通过冬夏两季气压差值的对比, 方案一要略优于方案二。

综上所述, 通过建筑风环境模拟, 对两方案中院内风速风向、污染气体流向、建筑室内外气压差值等方面的全面比较, 建筑方案一优于建筑方案二, 结合其他建筑设计要点, 该医院最终设计方案选取为方案一。

2. 风环境模拟分析与建筑形体布局优化

以建筑风环境模拟的结果为基础, 尽可能保持方案一大体不变而进行局部微调, 方案一的不足主要表现为:在夏季, 若干建筑室外空间局部通风不佳, 下面将提出具体问题, 并对建筑形体布局的进行适当优化, 得出方案三;最后将方案三与方案一进行模拟对比:

2.1 方案一的问题及优化方式

(1) 问题一:西边的下沉内庭院, 有一半面积在冬夏两季特别是夏季的通风效果不佳, 此处冬季休息活动基本符合要求, 但夏季宜有良好的通风, 否则内院一半面积风环境不适于夏季室外活动, 气流不畅。

优化方式为:在方案三中, 将门诊主楼与南边住院部的连廊一层做成开敞式的, 冬季连廊两侧关闭;夏季底层连廊打开后走廊形成通风带, 激活内院气流, 利于通风。

(2) 问题二:东侧主入口广场及其北侧走道冬季在北边住院楼的庇护下, 室外风速不大, 冬季风环境较好;但是两处夏季风速都很小, 空气流动受阻, 再加上人流量较大的因素, 此处在夏季宜有更加良好通风。

优化方式为:在方案三中, 将东南角住院部底层架空两跨度15米, 做成水池及花园, 优化通风效果和微气候的同时, 营造了一处乘凉避暑的室外休闲空地;另外, 将门诊主楼与东北住院部的连廊一层做成开敞式, 这样夏季东南风大量吹如门诊广场, 北边走道亦有良好通风。

2.2 方案一与方案三夏季风环境模拟结果对比

分析图4中方案一与方案三夏季风速度矢量图与云图可以看出:相对于方案一, 优化后的方案三使内院、门诊入口广场、北部走道的通风效果有了较大改善, 使夏季整个院区近35%的室外风环境得到优化, 改善了室外环境的舒适度、室外景观等微气候, 夏季优越的通风效果也降低了空调能耗, 符合绿色建筑设计要求。

3. 结论

以上研究仅适合在建筑概念与方案设计阶段, 通过风环境的计算机模拟寻找优化设计方法, 模拟精度满足建筑师在此阶段的方案决策即可。通过本研究不难发现, 以国家绿色建筑评价标准中对风环境的要求作为参考, 以绿色建筑设计理论作为指导, 充分利用好建筑风环境模拟技术, 能很好地为绿色建筑构思、建筑布局、建筑形体等前期设计提供客观、科学的评判和优化依据, 从而对不同的建筑方案进行对比分析和调整优化, 使得建筑具有更合理舒适的室外风环境, 良好的自然通风效果, 改善建筑的隔热保温、避寒散热性能, 从而降低建筑运营能耗, 践行绿色建筑的理念。

摘要：针对不同建筑所在地区的气候特征, 以建筑风环境评价标准作为前提, 为了创造更好的建筑风环境同时降低建筑能耗, 在绿色建筑的概念设计阶段, 对建筑方案的室外风环境进行模拟和分析, 在模拟结果中, 通过对风速分布、气压差值、气流方向等方面的评估和比较, 为概念阶段的绿色建筑设计提供评判参考和优化依据, 以便得到更符合绿色建筑标准的建筑设计方案。

关键词：建筑风环境,Airpak模拟,风速风向,气压差,优化设计

参考文献

[1].陈飞.建筑风环境[M].北京:中国建筑工业出版社, 2009.

[2].中华人民共和国住房和城乡建设部.绿色建筑评价标准GB/T50378-2014[S].北京:中国建筑工业出版社, 2014.

风环境分析 第4篇

现代的建筑设计越来越体现“以人为本”的理念,为了使建筑结构设计及建筑群布局更加合理,在建筑设计中,很有必要考虑建筑物周围大气流动的变化以及评估对环境的影响[1]。建筑小区规划的好坏,其中一个重要的标准是建筑小区的风环境。因此在规划设计前期就应对小区的风环境进行分析,利用理论与计算机模拟相结合,尽可能地消除影响区域内风环境的不利因素,改善小区内人们的生活质量。本文利用CFD软件对小区内室外风环境进行了模拟,通过对区域内建筑形式的适当调整,改善了小区内流场的分布。

2研究对象

该项目位于福州市,小区建筑的总平面布置见图1。建筑群的平面采用周边式布局,建筑物分布在四周,区域内为休息活动场地。

福州地区属于亚热带海洋性气候,气候比较温暖,全年平均气温为19.6℃,当地夏季盛行东南风,平均风速为3.4m/s,冬季盛行西北风,平均风速为3.6m/s[2]。

3 室外风环境评价标准

风环境的主要感受对象是人,对于风引起的不舒适问题的评价,国内外研究人员做了大量的现场测试、统计调查和风洞试验,并提出人的舒适感与风速之间的关系,如表1所示。本项目主要以建筑物周围行人可涉足的地方来评价风环境。行人高度风的特性非常复杂,不仅依赖于建筑物的外型、尺寸和某些建筑物特征(如开口、通道等),而且依赖于周围建筑物的相对位置、外形以及四周地形的粗糙程度。行人高度风速通常取离地约1.5m的风速。

4 室外风环境模拟

4.1 模型建立

4.1.1 物理数学模型

建筑室外气流流动一般属于不可压缩、低速湍流[3],模拟采用Phoenics中不可压缩气体的标准湍流模型,在不考虑用户自定义源项的情况下,方程κ、方程ε可分别简化为

undefined

湍流黏性系数表达式为:undefined

式中:ρ为流体密度;μt为流体沿t方向的分量;Gk表示由于平均速度梯度引起的湍流动能;C1ε、C2ε是常数,C1ε,C2ε,σk和σε是湍流数,σk=1.0,σε=1.3。

4.1.2 计算区域及网格的确定

由于模拟的是整个小区的室外风场分布情况,模拟区域比较大,考虑到计算机内存和计算速度的限制,划分网格时仅加密小区所占区域,小区外部的网格则按适当比例划分。同时考虑到研究对象是室外1.5m人体活动高度的气流分布情况,因此在竖直方向1.5m的高度处设置第一个网格,沿Z轴按适当比例划分。

4.1.3 边界条件的设定

(1)入口边界:考虑到地表摩擦的作用,地面以上的室外风速随高度递增[4],在300m以下的风速可根据平均风速梯度来确定,风速沿高度的变化规律可用指数方程来表示,即undefined式中:v(z)为距地面z高度处风速,m/s;v(z0)为参考z0(取气象台风速测量高度10m处风速,m/s;α为粗糙指数,对于城市中心区取α=0.4。此次模拟小区的最高处为79.9m,可不考虑梯度风影响,入口处风速直接取气象统计数据。

(2)出口边界:考虑到整个流体流动区域相对于研究对象而言足够大,气流在计算区域内得到充分发展,故该边界定义为自由出口边界。

(3)模型优化:考虑到计算网格和计算时间的限制,对模型一些不作研究的部分适当删减,同时为便于边界条件的设置,将模型作45度的调整。

4.2 模拟结果及建议

夏季模拟结果见图2～3,休息区内有近三分之一的部分处于静风区域(风速v<0.5m/s),为更直观地说明休息区域(红色点划线内部)内风环境情况,取区域内五个点(四个角点及中心点)的数据进行分析。

由表2可看出,休息区内风速分布不均匀,接近中心处风速较大,风速最大处位于C点,B、D两点风速偏小,主要由于C点所在区域的气流来流方向上无建筑遮挡,而B、D两点位于建筑的背风面,7#、5#建筑的遮挡改变了气流方向。为改善小区内休息区域的流场分布,需进一步调整建筑方案。

改善小区内风环境,可以结合以下几方面开展:根据当地气候特点做好整体及单体建筑的规划和布局,尽量利用建筑自身及相互间的遮挡使炎热夏节区域内风速不致过小、冬季不致风速过大;另外,可在建筑周边设置绿化带、防风林、挡风墙等措施也能改善人居环境。但设计方要求在不影响设计方案的前提下尽可能增大休息区内部气流速度,营造一个供人们夏季休息娱乐的舒适环境,故只能保持方案整体不发生变化,通过调整局部建筑来满足这一要求。

本文主要考虑通过调整建筑自身构造来改善小区内风环境,提高居民舒适程度。而风速的大小与区域周围建筑形成的压力差有很大关系。由图2可以看出,5#、7#、8#三座建筑迎风面与背风面的压差比较大,可考虑将这三栋建筑底层设置架空层,利用调节压差来改善小区内部流场分布。

设置架空层后小区内风速分布如图4～5:

设置架空层后,小区内流场得到了明显改善,静风区域缩至10%左右,夏季休息区内各点的风速都有了明显改善,风速提高了约10%,其中A点风速值变化不大,主要是由于该点距离调整后的建筑最远,架空层的设置对A点影响不大,风速变化最明显的是D点,该点的风速提高了近60%,主要原因是只有5#楼位于该点迎风面,且该点距离进风口位置较近,故将5#楼首层架空对小区内的流场分布有很大影响,有效缓解了围合式小区内气流不畅的缺陷。

同时通过模拟结果可知,夏季迎风面的建筑设置架空后,小区内风速有了明显提高,而冬季小区内风速较低,且静风区域所占比例接近一半,提高了行人在小区内活动时的舒适性。

5 结论

在建筑规划设计的前期采用计算机模拟的手段可以方便地为方案的可行性提供辅助工具,使规划设计师及时了解存在的问题,避免了采用真实数据的不易操作性和滞后性,模拟结果更加直观、清晰,有助于规划设计师在前期就可以及时分析一些不确定因素对方案优化的效果。

摘要：本文利用CFD软件对小区内风场进行了模拟分析,根据模拟结果和对所选季节流场数据分析的基础上,总结出小区在规划前期需考虑主导风向、建筑物位置及首层架空的重要性,并分析了该小区方案的可行性。通过对该小区的风场模拟,直观、清晰地反映出方案调整前、后的流场分布,有助于规划设计师及时了解前期方案的调整产生的影响,显示出计算机模拟在区域整体规划中的优越性。

关键词：CFD,区域规划,风环境

参考文献

[1]Chen Qingyan.Using computational tools to factor wind into ar-chitectural environment design[J].Energy and Buildings,2004,36(12):1197-1209.

[2]中国气象局气象信息中心气象资料室,清华大学建筑技术科学系.中国建筑热环境分析专用气象数据集[M].北京:中国建筑工业出版社,2005.

[3]Wang Ruijin,Zhang Kai,Wang Gang.Techonological Base and U-sing Examples of Fluent[M].Beijing:Tsinghua University Press,2007(in Chinese).

侧风环境下车辆动态响应研究 第5篇

随着我国公路建设的迅速发展,山岭重丘区的高速公路里程也迅速增加。然而山岭重丘区的高速公路往往隧道较长,大多以隧道群的特征出现。由于隧道与隧道之间往往是较深的峡谷,容易成为山风的通道。在隧道群内行车时,车辆在出隧道口的瞬间会从完全没有侧风的环境驶入强度较大的侧风区时,司机由于习惯性作用,往往来不及反应从而导致交通事故的发生。

本文采用简化的二自由度汽车模型进行分析。研究汽车直线行驶时突然遇到侧风情况下的车辆瞬态响应。

1 侧向气动力

1.1 车辆行驶过程中所受侧气动力

汽车在路面上行驶时,除受到路面作用力外,还受到周围气流对它作用的各种力和力矩。汽车行驶中受到的气动力有迎面阻力、升力、侧向力及这些力形成的俯仰力矩、侧倾力矩和横摆力矩,这称为气动六分力[7,8],它们的大小,大致都与空气对汽车相对速度的平方成正比。阻力、升力和侧向力形成一个合力,并作用于汽车的对称平面内,但它不一定与重心重合,此合力点称为气动中心。

1.2 侧向气动力系数

在侧风作用下直线行驶的汽车受到由行驶速度产生的行驶风u和侧风w的影响,气流流入合成速度ur就是两者的矢量和,,其合成速度与汽车轴线成a角,如图1所示。

图中,α称为流入角,单位为度;β为风与汽车轴线的夹角,横风时β=90°,,α=arctan(w/u)。

通过风洞试验研究了农用货车和大型货车的侧向其动力系数[9,10],研究表明侧向气动力系数Cs风向角β之间基本成正比关系,即:

其中,β为风向角,为比例系数,和车辆外形有关。

庞加斌等人[11]在轿车和微型客车侧向力系数的风洞试验测量拟合中得到侧向力系数分别为0.034和0.071,在对侧面接近矩形的客车和货车的侧向力系数值随长高比和宽高比的增大而成比例增长,从工程安全原则出发,将中型客车和集装箱货车取0.18。

本文在以下的计算中对轿车侧向气动力比例系数取0.034,对货车和大型客车取侧向气动力比例系数0.18。

1.3 开环和闭环系统

在对汽车的动态响应得评价方面有闭环和开环系统。所谓开环系统就是认为车辆受到外力作用,作出一定的响应后,驾驶者不允许根据汽车的转向运动作出修正,即驾驶者不允许做出任何反馈作用,因此汽车的时域响应仅是把汽车作为开环系统的控制特性。汽车作为开环系统的响应可以通过建立数学模型进行理论分析。

但是汽车的操纵稳定性是由驾驶者来评判的,操纵稳定性又和驾驶者的操作特性紧密相连,操纵稳定性的研究对象应该是将驾驶者和汽车作为一个整体的人机系统,而不能忽略驾驶者的反馈作用,所以人-机系统是一个闭环系统。不过驾驶者的反馈作用十分复杂,目前对于人-机闭环系统的研究还不成熟。

本文在分析过程中,假定汽车为操作性能良好的车辆,受到突发侧风的影响时,驾驶员并不知情,在短时间内又未作出反馈,因此可以采用开环系统进行分析。

2 突发侧风引起的车辆运动模型及求解

2.1 二自由度车辆模型

假设车辆直线行驶,速度为u,受到突发侧风的影响,产生的气动侧向力Fw,考虑车辆产生侧向偏移和横摆两个自由度,其中侧向速度为v,横摆角速度ωr。Fy1和Fy2为地面对前、后轮的侧向反作用力,即侧偏力,α1和α2为前后轮侧偏角,质心产生β偏角;dw为气动中心到质心的距离,坐标原点建立在车辆的质心上。

假定:汽车质心的绝对速度沿oy轴上的分量为ν,沿ox轴上的为u,即车辆行驶速度,u为已知,则侧向加速度:

二自由度汽车受到的外力沿y轴方向的合力和绕质心的力矩为:

其中:Fy1=k1α1,Fy2=k2α2,Fw=1/2CdρAur2

式中,K1和K2分别为轮胎的侧偏刚度,A为车辆正投影面积,CS为侧向气动力系数,研究表明侧向气动力系数Cd和升力系数CL与风向角β=tan-1(v/u)之间基本成正比关系,即CS=KCSβ。

故有:

以上可以知道:

将其代入式(2),可以得到:

整理可得:

该方程是关于ν和wr的二自由度车辆运动方程,通过求解该方程的通解为:

其中:

由式(5)得t=0时,

从而可解得两个常数:

由式(5)可得:

由式(6)和(7)可解得车辆的横摆角速度,由式(8)和(9)可以计算得到汽车的侧向速度ν和侧向加速度ν̇,从而求出汽车的侧向位移s=νt。

本文已将以上计算过程利用matlab编成程序进行计算。

3 实例计算及分析

3.1 轿车

参数如下:转动惯量I=3 880 kgm2,质量m=1 400 kg,质心距前轴距离a=1.46 m,质心距后轴距离b=1.58 m,前轮侧偏刚度k1=22 610 N(o)-1,后轮侧偏刚度k2=50 180 N(o)-1,Kcs为比例系数,和车辆外形有关,本文以轿车为分析对象,取Kcs=0.034,空气密度ρ=1.255 8 kg/m3,车辆正投影面积A=2.05 m2,车辆长度按照4.6 m计算。

(1)气动中心对车辆动态响应的影响分析。

车辆气动中心和质心往往不是重合的。气动中心位置对车辆运行状态有着较大的影响。为了分析气动中心位置对车辆动态响应影响,假设气动中心分别位于质心前0.4 m、质心后0.4 m以及气动中心和质心重合,车辆行驶速度为80 km/h,侧风风速10 m/s,风向垂直于车辆的行驶方向,然后计算得到如图2、图3和图4所示的车辆侧向速度、横摆角速度、侧向偏移距离随时间的变化规律。

从图2可以看出,当气动中心位于质心之前时,将会使得车辆产生顺风摆动,侧向运动速度较大,当气动中心位于质心之后时,将使得车辆偏离方向和风向相逆,而且侧向便移速度也较小。

从图3可以看出,当气动中心位于质心之前时产生的横摆角速度最大,气动中心位于质心之后产生的横摆角速度最小,对行车安全最有利。

(2)侧风风速对车辆动态响应的分析。

以气动中心位于质心之后0.2 m,车辆行驶速度60 km/h为例,利用程序分别计算不同侧风风速情况下车辆的侧向偏移速度,横摆角速度和侧向偏移距离。

侧风风速对车辆的动态响应产生较大的影响,侧风风速越大车辆侧向移动距离、横摆角速度、侧向偏移距离也都越大。另外,从图5可以看出车辆侧向移动的速度在0.5 s左右达到最大,之后很快趋于稳定。从图6中可以看出,在0.5~1 s左右横摆角速度达到最大,之后趋于稳定。这说明在车速一定时,侧风对车辆的影响主要在第1秒时间内,而这也最为危险的时间段,因为在此时间内驾驶员还没来得及反应,车辆横摆角度、侧向速度已经到最大值。

(3)车速对侧风环境中的车辆动态响应分析。

以气动中心位于质心之后0.2 m,侧风风速10m/s为例,利用程序分别计算不同车速情况下车辆的侧向偏移速度,横摆角速度和侧向偏移距离。

从图8和图9可以看出随着车速的增加,侧向偏移速度和和横摆角速度明显增大。从图10可以看出在车速为60 km/h,气动中心位于质心之后0.2 m的情况下,车辆侧向偏移距离为顺风摆动,但当车速达到120 km/h时,车辆会产生逆风摆动,这说明车辆气动中心位置一定的情况下,车辆速度会改变车辆的偏移方向。但这并不能说明侧风环境下高速行车对行车安全是有利的,因为当时速达到120 km/h时,侧向偏移距离较大,而且在一开始的阶段会产生左右摇摆,若驾驶员在此阶段急于修正方向的话,有可能会引发交通事故。

3.2 货车

参数如下:转动惯量I=9 885 kgm2,质量m=6800 kg,质心距前轴距离=3.2 m,质心距后轴距离b=2.8 m,前轮侧偏刚度k1=42 618 N(o)-1,后轮侧偏刚度k2=80 185 N(o)-1,质心距中性转向点的距离dw=0.4 m,空气密度ρ=1.255 8 kg/m3。本文以箱式货车为分析对象,取kcs=0.18,车辆参考面积:5.5m2。

(1)气动中心对车辆动态响应的影响分析。

对于货车而言,由于货物形态、质量等因素都会影响到车辆的质心和气动中心位置,因而气动中心和质心的位置产生偏差是很常见的,而且可能会相差较大,因而十分有必要对气动中心位置对车辆动态响应的影响进行分析,假设气动中心分别位于质心前0.6 m、质心后0.6 m以及气动中心和质心重合,以车速80 km/h,横风风速10 m/s为例。经过计算得到车辆侧向速度、横摆角速度和侧向偏移距离的随时间的变化规律。

车速80 km/h,横风风速10 m/s时,从图11可以看出,当气动中心位于质心之后0.6 m时,在1 s内车辆的侧向速度达到0.5 m/s,当气动中心位于质心之前0.6 m时,在1 s之内车辆顺风摆动,侧向偏移速度迅速达到1.5 m/s,这是比较危险的。从图13可以看出,气动中心位于质心之前0.6 m时,在驾驶员不做任何修正的情况下,4 s内车辆侧向偏移距离达到了6 m。

(2)侧风风速对车辆动态响应的分析。

以车辆行驶速度80 km/h,气动中心和质心重合为例,经过计算得到如图14、图15所示的侧向偏移速度和横摆角速度随时间的变化曲线。

可以看出,侧风风速增大,在1 s时间内侧向偏移速度、横摆角速度会急剧增加,以后趋于稳定。

(3)车辆行驶速度对车辆动态响应的分析。

以侧向风速度10 m/s,气动中心和质心重合为例,经过计算得到如图16、图17所示的侧向偏移速度和横摆角速度随时间的变化曲线。

可以看出,行车速度增大,在1 s时间内侧向偏移速度、横摆角速度会急剧增加,以后趋于稳定。

因为货车的体积较大,装载货物后更容易引起气动中心和质心位置的改变,同时受到的气动侧向力也更大,因而更容易受到侧风的影响,这一点从货车的动态响应来看,也可以知道无论是侧向偏移速度、横摆角速度和侧向偏移距离都要远远大于轿车。

4 结论

采用简化的二自由度汽车模型,推导了汽车直线行驶时突然遇到侧风的动态响应,并以实例进行了计算和分析。以货车和轿车为例的研究表明:气动中心位于质心之后对行车安全最有利;车速和侧向风速越高,车辆的侧向位移、加速度以及横摆角速度都会变大,对行车安全不利,而且货车受侧风的影响较大,轿车受侧风的影响较小。

参考文献

[1]江浩,余卓平.集装箱半挂车在侧风作用下行驶稳定性分析[J].同济大学学报(自然科学版),2001,29(12):1451-1455.

[2]陈艾荣,王达磊,庞加斌.跨海长桥风致行车安全研究[J].桥梁建设,2006,3:1-4.

[3]庞加斌,王达磊,陈艾荣,等.桥面侧风对行车安全性影响的概率评价方法[J].中国公路学报,2006,19(4):60-64.

[4]韩万水,陈艾荣.侧风与桥梁振动对车辆行驶舒适性影响研究[J].土木工程学报,2008,41(4):55-60.

[5]于群力,陈徐均,江召兵,等.不发生侧滑为指标的跨海大桥安全行车风速分析[J].解放军理工大学学报(自然科学版),2008,9(4).

[6]海贵春,谷正气,王和毅,等.侧风对汽车高速行驶性能影响的仿真研究[J].解放军理工大学学报(自然科学版),2008,9(4).

[7]余志生.汽车理论(第五版)[J].机械工业出版社,北京:2009.

高层建筑群的风环境影响 第6篇

随着社会经济的发展, 城市中的高层建筑拔地而起。随着这些建筑从城市中心到外围的不断扩展, 逐步形成了区域性城市的密集型商业高层建筑群和高层居住建筑群。这些高层建筑群为人们提供了便捷的同时也给人们的生活造成很大的影响, 影响之一就是高层建筑周边的风环境。

1 高层建筑的定义

现代高层建筑首先从美国兴起, 第二次世界大战后, 出现了世界范围内的高层建筑繁荣时期。日本近十几年来建起大量高百米以上的建筑, 苏联在20世纪70年代初开始建造高层建筑, 后来逐步发展为高层建筑群。

我国近代的高层建筑始建于20世纪20年代~30年代。从70年代末期开始, 全国各大城市开始兴建了大量的高层住宅, 以及大批高层办公楼、旅馆, 逐步形成了高层建筑群。

2 风环境的定义

广义上风环境是指室外自然风在城市地形地貌或自然地形地貌影响下形成的受到影响之后的风场。现阶段风环境最主要在建筑设计和城市规划的科学领域中被研究, 但是在高层建筑群中风环境的影响范围还是十分广的, 随着高层建筑高空坠物的危害和高层建筑周边及内部环境恶化等现象的出现, 风环境影响越来越受到专家、学者以及居住和使用者的高度重视。

3 高层建筑群对内部空间的影响

高层建筑的风环境不仅是对建筑物外部环境的影响, 对居住在室内的内部环境和通风环境也有着很大的影响。

1) 高层建筑室内自然通风很难实现。

在高层建筑中, 自然通风现普遍存在的问题是风力过大, 风速过快等问题, 居住或工作在高层建筑中的人们, 不能或者是不敢采用自然通风的形式来给居室或办公环境进行通风。在高层建筑中的人们多半采取空调来增加室内空气流通, 这样做室内的空气质量不理想, 而且使用空调的同时对外部环境的热效应增加, 更不利于空气的流动与交换。

2) 风噪声影响。

风噪声在高层建筑外部环境遇到能形成漩涡的地方, 与哨子同理, 当风速加大时, 就会产生相应的风噪声, 风噪声对人们的生活和休息造成很大干扰, 也影响人们的心理和情绪。

4 高层建筑群对外部空间的影响

1) 周边环境的风力、风速的影响。

在高层建筑集中地区, 建筑物周围会有风力、风速局部、瞬间增大的现象, 这就是高层建筑群风环境的主要特征, 也是我们要避免和减少的主要风环境影响要素之一。

在建筑设计中高层建筑需要考虑风荷载, 同时也应考虑高层建筑的“风振效应”。“风振效应”就如同地震后建筑在受到地震横、纵波的影响, 会产生震动和晃动一样。高层建筑在受到强风冲击下, 就会产生晃动。如果高层建筑群的风环境不佳, 这种风振效应就会因风环境的增强和叠加而加重。虽然不会对建筑结构安全造成影响, 但是对居住者的心理会造成不安的影响。

高层建筑群不良风环境, 会影响建筑物的构、配件及装饰物的稳定性。曾有由于风力过大, 将建筑物的玻璃幕墙、外墙面贴砖、屋顶砖瓦等从高处吹落致人受伤的报道, 所以风环境的好坏也会直接影响到高层建筑的安全。

2) 高层建筑群周边的空气质量影响。

由于高层建筑群形成的不良风环境, 对其空间围合的局部空气质量有着很大的影响。主要是高层建筑群内部形成的涡流区对空气质量造成的污染。在涡流环境内空气的流动相对缓慢, 不利于空气的交换, 在该区域内如果有居住或餐饮产生的油烟、汽车尾气等污染物就不易扩散, 久而久之形成空气污染的重灾区。。

如果在此区域一旦形成环形涡流后会将周边的垃圾、尘土等污染物吸引进来, 这个区域就成了垃圾汇集处。每当人们经过时, 卷起的灰尘就会直接刺激人们的呼吸道。

3) 对周围居民和行人生活与行动的影响。

在高层建筑群周围生活和行动的人们, 对于其周边风环境的影响感受最深、最为直接。风速对人的行为的对应影响如表1所示。

从表1中可以看到, 当人们身处高层建筑群的风力、风速相对增大和集中区域, 尤其处在漩涡的涡流处, 风速在15 m/s以上, 人们的行动就会受到限制, 同时人们的人身安全也会受到威胁。

如果人们处在风力较大开放性区域, 人们的活动就会受到限制, 尤其是居住小区的老人和儿童, 受到的危害就更大了。

5 高层建筑风环境影响主要因素及改善措施

群体高层建筑的风环境好坏, 直接影响到内部及其周边环境的空气质量, 以及居住者和使用者的直观感受。那么如何从源头来预防和消除不良风环境的影响, 应从以下几方面考虑:

1) 高层建筑周边气流分布主要影响因素有建筑物自身的高度、面宽、进深以及高层建筑外轮廓形状等。

单从建筑物自身来说, 不同长宽比或高细比会产生不同的位置风速加大的现象。如果多座高层建筑相互影响, 周围的气流变化就会变得相对复杂, 风速加大的增幅也会随之增大。

2) 高层建筑周边气流分布其他影响因素有建筑物的空间布局和建筑物的朝向和摆放角度等。

传统的平面空间布局形式大致分为:行列式、点群式、周边式、混合式和院落式。空间布局在充分考虑建筑间距、日照的条件下, 将传统布局灵活搭配, 根据不同的区位环境, 科学合理的布置高层建筑群落, 同时以创造和维护良好风环境为出发点, 依据经验与模拟试验, 调整空间平面布局。调整的目的一是减少风速、风力局部增大或易形成涡流的区域, 二是改善静风区的空气环境质量, 换句话说就是控制动风、改善静风。

3) 高层建筑群的立体空间。

立体空间可以让我们更直观的感受到风环境的影响。建筑的立面高度布局, 在建筑朝向和外部形象、沿街立面和建筑天际线等综合条件的控制下, 建筑物的高低、建筑底层的裙房的围合与洞口的开合间距大小都会直接影响风的走向与风力的大小。不同的错落布置会形成不同的风环境效应。合理的利用风环境效应, 改善环境质量, 提高人们的舒适度。

4) “狭管效应”。

“狭管效应”是指当空气由开阔地带流入狭小地带 (地形构成峡谷) 时, 由于空气质量不能大量堆积, 于是加速流过 (峡谷) , 风速增大。在城市中高层建筑群中, 特别在北方多大风的城市, 容易形成狭管效应。狭管效应从两个方面进行预防, 一方面预防由于狭管效应产生风力及风速加大造成的不利影响, 另一方面是预防由于狭管效应产生的“风啸”对人们生活造成的噪声污染。所以在高层建筑群的空间布局时, 避免形成过于狭窄或狭小的空间, 从而预防狭管效应的产生。

5) 改善风环境的措施。

a.从规划设计阶段就应细致研究建筑群所处地理位置和季风等影响因素, 同时引入风环境的模拟或评估手段, 从平面和立体空间布局上调整和优化设计方案, 避免风环境恶化现象的出现。

b.增建防风设施, 一方面增加辅助改善风环境的构筑物, 另一方面增加对重要危险区域的防护设施建设。构筑物的设立可以起到改善局部区域风的走势与降低风速的作用。

c.增加绿化防风隔离带, 在适当区域增加绿化防护, 乔灌木屏风隔离带, 可以吸附减弱不良风的直接影响, 适当增加地被植物的种植, 减少因近地面不良风造成的扬尘作用。植物不仅可以净化空气, 同时更直接的作用在于改善小环境的局部风环境效应, 起到降尘减噪的作用。

6 结语

高层建筑群风环境影响随着高层建筑的逐渐增多与发展越来越受到社会各界的关注。要从源头上避免和改善高层建筑风环境, 就应从规划设计阶段以及建筑设计阶段加以重视和研究。可以通过使用电脑模拟等方式模拟实验提供有针对性的调整意见, 改善及优化高层建筑群的风环境的影响。使得项目在建成使用过程中能够更好地为人们提供生态宜居的办公和生活环境, 减少对城市环境的不利影响。

摘要：介绍了高层建筑与风环境的定义, 分析了高层建筑群对内外部空间的影响, 并探讨了高层建筑风环境的主要影响因素, 提出了增建防风设施、增加绿化防风隔离带、优化设计方案等改善风环境的措施。

关键词：高层建筑,风环境,影响,空间

参考文献

[1]黄荣.高楼风环境影响评价浅析[J].大众科技, 2010 (5) :81-83.

[2]江清源.高层建筑风环境及其影响研究[J].厦门科技, 2007 (5) :98.

[3]叶钟楠, 陈懿慧.风环境导向的城市地块空间形态设计——以同济大学建筑与城市规划学院地块为例[A].2010城市发展与规划国际大会论文集[C].2010.

[4]居住区住宅群体的自然通风与防风设计[Z].

风环境分析 第7篇

国外对飑线的研究有很长的历史,早在20 世纪60 年代,Newton等[1]对飑线作了详细的中尺度分析,提出了飑线的流场特征;包括向高空风上风方向倾斜的上升气流,低层流向飑线的湿空气入流和后方较冷的下沉气流。Moncrieff[2,3]按照不同的动力状态建立了中纬度引导层型和热带传播型两类飑线理论模型,提出环境垂直风切变对飑线流场的影响。由双多普勒雷达观测进一步揭示了热带( Chong等[4])、中纬度(Fank hauser等[5];Houze等[6];Smull等[7])和副热带(Wang等[8]) 飑线内部的三维风场结构。国内利用各种常规观测资料来分析一些飑线个例的研究也有很多,如陈涛等[9]分析了一次华北飑线中环境条件与对流发展机制的关系,指出冷池边界扩张速度与低层风垂直切变大致相当。伍志方等[10]对广东左移超级单体风暴和飑线及飑线内超级单体的强对流进行了环境条件和结构的对比。于庚康等[11]对江苏地区出现的春夏两次飑线的天气过程特征进行了对比分析,指出地面风场中对应一条清晰的辐合线对飑线的触发和维持起着重要的作用。另有一些飑线数值模拟分析方面的研究,如黄奕铭等[12]对广东地区一次飑线过程的诊断分析和数值模拟,吴海英等[13]对黄淮一次强飑线的模拟分析等。此外庄薇等[14]利用双多普勒雷达分析新疆的一次强飑线三维风场,观测其垂直结构为:在中低层有东南风入流,与后部西风相遇倾斜上升后在高层向前出流形成云砧。

上述研究均分析了飑线的流场结构,但较缺乏对比春季与夏季飑线的环境风切变的回波垂直结构差异,也较少利用雷达径向速度的垂直剖面以及依据径向散度场预测其移动特征。本文利用浙江宁波SA雷达资料,FY2E、MTSAT卫星资料及探空资料,重点分析了2014 年7 月27 日的飑线回波垂直结构,并对比2014 年3 月19 日浙江台州雷达观测的春季个例,分析飑线的雷达回波垂直剖面结构,以探究环境风切变对飑线结构的影响;结合计算的径向散度场分析了飑线演变发展的特征,以期更准确地预报强对流的落区。

1 20140727 个例的天气背景和大气垂直结构

2014 年7 月27 日受高空西风槽东移与低层弱切变及辐合的影响,16:00 ~ 21:00 BT南北向的飑线自西向东扫过浙中北地区,受其影响,浙北出现了短时强降水、雷电大风天气,多站降水量达到暴雨标准。这一次降水过程是典型的夏季强对流造成的强降水过程,从图1 的7 月27 日08 时中尺度分析中可以看到:500 h Pa高空槽东移,低层弱切变,江苏-安徽地区有700、850 h Pa切变线;安徽上游地区有干舌和温度槽,上层空气干冷,浙江地区有湿舌和温度脊,空气暖湿,整体呈现出系统性强对流形势。另外浙江地区有辐合线,且副高减弱东退,浙江地区处于副高边缘,不稳定能量强。预计未来随着系统的东移南压,浙东北局部会出现短时强降水和雷雨大风天气。

图2 是基于大气要素结构分析的V - 3θ 剖面图(Ooyama[15]),其中的V代表探空资料中的风向和风速的观测数据,而3θ 是指 θ(位温)、θsed(基于露点的假相当位温)和 θ*(假定为饱和状态下的假相当位温)。因此对比三条线通过水平风向的垂直分布不仅可以了解不同高度上风的来源和气流的垂直切变特征,还可以了解对流层的不稳定度以及气层的水汽特性。

在图2 中26 日20 时 θsed与 θ*曲线400 ~ 900h Pa与T轴成钝角,说明大气不稳定,在100 ~ 300h Pa对流层顶处有超低温层,且三条曲线均有明显剧烈的折拐,大气热力结构极不稳定。在低层900h Pa附近是东南风为主,到中高层在400 h Pa附近西南风较大,大气的水汽供应层很厚,有利于对流发展,总体高低层呈现一个风向不一致的顺滚流。到了27 日08 时中低层西南风,100 h Pa高层东北风,说明浙江处在副高边缘。θsed与 θ*曲线在对流层中层400 ~ 700 h Pa处有明显剧烈的折拐,大气呈热力不稳定结构,此先兆信息预示将有强对流天气发生。

27 日08 时的T-ln P图( 图略) 对流指数为: 有效位能为1 427,在1 000 以上,k指数为41. 6,沙氏指数- 3. 19,抬升指数- 4. 02,各对流指数反映了强的对流条件,有利于午后大范围强对流发展。

2 雷达观测

2. 1 20140727 飑线与20140319 飑线的垂直剖面结构对比分析

为对比春季与夏季飑线结构的差异,分析2014年3 月19 日浙南台州地区出现短时强降水与冰雹的飑线过程,发现台州飑线的垂直结构与此次个例存在差异。

图3 分别是台州[( a)、( c)]和宁波[( b)、(d)]雷达观测到的两次飑线强回波的雷达垂直剖面图,从中分析:对比两幅RCS图[图3(a)、(b)],强回波最大高度都在8 km高度附近。台州个例的对流强回波主体向移动方向前沿倾斜,前沿的入流缺口(弱回波区) 不可见。而宁波个例的对流前沿入流缺口明显,强回波没有倾斜的状态。对比两幅VCS图[图3( c) 、( d)],在风暴移动前沿均有暖空气入流上升向后的趋势,但台州回波入流后的向后出流明显没有宁波那么强烈,台州个例对应的速度只有5 m/s以下,而宁波个例的入流-上升-出流速度达19 m/s以上。

再看强对流回波移过测站后的剖面情况( 图4) 。对比RCS图[图( a) 、( b)],台州的对流强回波主体仍向移动方向前沿倾斜。宁波的对流强回波主体没有这种倾斜状态。对比VCS图[图(c)、(d)],台州个例中对流前沿,暖空气入流上升后,在高层没有向后出流,而是向前出流,但在宁波个例中,可以看到暖空气入流上升后在高层是向后出流的。

图3 2014年3月19日17:11台州雷达垂直剖面图[(a)、(c)]和2014年7月27日17:31宁波雷达垂直剖面图[(b)、(d)]。雷达在剖面图坐标轴的原点位置,紫线对应作剖面的区域,下同Fig.3 Vertical cross-section by Taizhou radar at 17:11 BT 19 March 2014[(a),(c)]and vertical cross-section by Ningbo radar at 17:31 BT 27 July 2014[(b),(d)].Radar position is at the origin,the purple line corresponds to the area for profile,the same below

图4 2014年3月19日18:05台州雷达垂直剖面图[(a)、(c)]和2014年7月27日19:05宁波雷达垂直剖面图[(b)、(d)]Fig.4 Vertical cross-section by Taizhou radar at 18:05 BT 19 March 2014[(a),(c)]and vertical cross-section by Ningbo radar at 19:05 BT 27 July 2014[(b),(d)]

分析浙江地区春夏两个个例的回波垂直剖面图差异,发现由于高空环境风较大,导致强回波向环境风方向倾斜,且暖空气上升入流后向风暴前部出流。因为台州个例发生在春季3 月,高空风较大,而宁波个例发生在夏季7 月,高空风较小。从两个个例飑线发展最旺盛时刻的红外云图(图略) 中发现在江淮流域的对流云团,春季对流云团下风方向有很多丝缕状的卷云,且整体对流云团呈细长条形状,说明高空风很强;而夏季对流云团边界整洁干净,且呈椭圆团状,高空风不强。

分析春夏两个个例探空的高空风速对比图(图5),从之前的VCS剖面图中可以看到,入流上升后出流的高度大概在10 ~ 12 km高度左右。图5 在12 ~ 15 km高度区间,两个探空站的最大风速差异明显,7 月27 日20 时杭州风速是6. 3 m/s,而3 月19 日20 时台州却达到45. 9 m / s的风速。

理论上,风暴类型受到环境风垂直切变和层结不稳定度这两方面因子的综合作用,可用粗里查森(Bulk Richardson)数R来表示。

(其中z是大气最低6 km中按密度权重得到的平均风速6000与大气最低500m的平均风速500之差值)。显然R是对流层中低层风垂直切变的一个度量,既代表了地面入流供给风暴的能量强度,也代表了上升气流旋转的能力。R与对流风暴的类型之间有密切的关系。对于一定量的浮力能,在弱切变条件下可形成普通单体风暴,中等切变条件下可形成多单体风暴,强切变条件下可形成超级单体风暴。因此普通单体雷暴与较大的R相对应,而多单体风暴和超级单体风暴则分别与中等和较小R相对应(寿绍文等[16])。通过计算得到2014 年3 月19 日20 时台州个例R值接近于0,7月27 日20 时宁波个例的杭州站R值为452. 1。可见台州个例的风速垂直切变较大。

因此是春夏这两个个例的高空风速差异,导致了飑线垂直流场结构的不同。Moncrieff等[2,3]按照不同的动力状态建立了引导层型和传播型两类飑线理论模型。引导层型在中纬度常见,风速垂直切变大,风暴高层前部有相对出流,云砧伸向风暴前部,飑线单体具有典型的超级单体的结构,如图6(a)所示;而传播型在热带地区常见,风速垂直切变较小,风暴后部各层均为相对出流,云砧伸向风暴后部,飑线单体具有多单体风暴的特征,如图6(b)所示。

图6对流风暴的环流模型[(a)超级单体结构Browning,[17](b)热带对流风暴结构Moncrieff[2]]Fig.6 Convective storm circulation model[(a)the supercell storm Browning[17],(b)tropical convective storm Moncrieff[2]]

台州个例中春季高空风强,风速垂直切变大,上升气流入流后在高层受环境风影响向前出流且强回波主体有倾斜,飑线单体类似于中纬度引导型的超级单体结构。而宁波个例,夏季高空风弱,风速垂直切变小,入流上升后在高层向风暴后部出流且强回波无倾斜状态,飑线单体类似于热带传播型的多单体风暴结构。

图7宁波SA雷达16:29观测到的强度、速度图及其叠加的径向散度图[(a),(c)为强度图,(b),(d)为速度图,下同]Fig.7 Reflectivity,velocity and radial divergence by Ningbo SA radar at 16:29 BT[(a),(c)is reflectivity,(b),(d)is velocity,the same below]

2. 2 20140727 飑线回波结合径向散度的分析

天气雷达在探测飑线的发展演变过程中,应结合强度、速度的垂直剖面以及计算的径向散度(胡志群等[18])综合分析流场特征,通过辐合区可以预报对流未来走向。下面具体分析各个时刻的流场特征。

16:29 BT径向速度图[图7( b)]上白色辐合线的位置与强度图[图7(a)]上的强回波相对应,测站左侧低层有速度辐合,蓝黄正负速度对均达到27m / s,与强回波对应。图7 ( c ) 、( d ) 是本文计算的1. 5°仰角的径向散度,强回波前方对应着辐合区,与速度图中的辐合线基本一致。进一步分析发现,散度场中的- 20 × 10- 4s强辐合中心,在速度图中并不能明显地分析出来,而其对应位置处的下一个时刻17:03 BT(图8)出现了强回波(飑线的南段),说明计算的径向散度辐合区指示了对流的未来发展区域。

17:03 BT径向速度图[图8( b)]的白色辐合线与强度图[图8(a)]中的强回波位置相对应,低层有东南风和西南风的辐合,高层西北风,高低层有弱切变。雷达西侧的蓝黄正负速度对,呈现辐合性中气旋特征,此前的强辐合区开始旋转,利于强回波发展,且风速较大有很强的西南急流。1. 5°仰角的径向散度场[图8(c)、(d)],存在两个辐合中心,北部中心达- 16 × 10- 4/ s,南部中心达- 10 × 10- 4/ s,相应的飑线北段对流发展特别旺盛,其辐合中心预示着未来强回波的位置和发展强度。

17:31 BT径向速度图[图9( b)]的白色辐合线依然与强度图[图9(a)]的强回波位置对应。测站西侧的辐合性中气旋维持,上升运动强烈,飑线回波的弓状形态明显,且弓形曲率最大处即为该辐合性中气旋所在处,此时是飑线发展的最鼎盛时段。径向散度图[图9(c)、(d)]中,辐合中心也在弓形曲率最大处的前方,1. 5°仰角图[图9(c)]中辐合中心达- 6 × 10- 4/ s,且在该辐合中心的北面2. 4°仰角图[图9(d)]中对应着14 × 10- 4/ s的辐散中心,高层有强辐散,低层辐合,使强对流发展,也预示下一时刻弓型曲率最大处的对流将维持。再结合图3(b)RCS图和图3 ( d) 的VCS图,在距离雷达30 km处的垂直剖面图上的入流缺口(弱回波区) 位置和流场的辐合位置,与图9 ( b) 速度图的辐合区及图9(c)、(d)径向散度图的辐合中心位置相对应。

18:04 BT径向速度图中测站处有东南风与西南风的辐合,上升运动强烈,辐合依然维持,在3. 4°仰角的径向散度图中也有- 10 × 10- 4/ s的辐合中心,弓形回波维持,曲率最大处依然对应强回波。而飑线尾部(南段) 的强回波渐渐减弱。19:00 BT径向速度图中,测站以东正速度区达27 m/s,且在0. 5°仰角的径向散度图中也出现达8 × 10- 4/ s的大范围辐散区,飑线开始入海。在20∶ 01 BT的径向速度图中,正速度区中依然存在风速较大的辐散(27m / s以上),对应回波强度较弱,飑线处于消散阶段。而在1. 5°仰角的径向散度图中,强回波对应处又出现达4 × 10- 4/ s的辐合,说明海上回波有加强的趋势。(限于篇幅,18∶ 04、19∶ 00 和20∶ 01 BT时刻的图均略)

2. 3 20140727 飑线系统在海岸线附近的加强过程

分析整个飑线回波演变过程(图10),发现飑线在即将入海时有一个明显加强的过程,在图9 中,17:31 飑线弓状回波曲率最大,而后18:04 ( 图略)南段对流抑制消散,整体回波开始减弱,到18:26 可以看到回波明显变弱,已无之前55 d Bz以上的回波。在19:33 飑线入海有明显的加强,19:50 强回波明显,与18:26 对比,增强了10 d Bz。分析20:01的径向散度图(图略)也看到,强回波对应处又出现辐合区,说明到了海上回波有增强的趋势。最后,21:30 整体回波又减弱消散。期间经历了在入海前陆地上的减弱、即将入海时的加强及最后的减弱消散。飑线系统在海岸线附近的加强过程,与海陆下垫面差异及杭州湾喇叭口的地形因素( 海水易倒灌)影响有关(陈淑琴等[19])。

3 结论

(1)为研究春季和夏季的环境垂直风切变对飑线结构的影响,结合雷达、卫星、探空等观测资料,重点分析了20140727 飑线天气背景和不稳定能量垂直结构,揭示了不稳定能量的垂直结构特征和先兆信息。

(2)为进一步研究飑线的回波结构与环境垂直风切变的关系,利用雷达回波的垂直剖面图,对比分析了20140727 飑线与20140319 台州飑线个例的垂直结构,发现在浙江地区,春季飑线个例强回波主体有向环境风方向倾斜的趋势,而夏季个例强回波主体无倾斜。另发现暖空气入流上升后的出流方向受高空环境风的影响,春季高空风强,风速垂直切变大,入流上升后在风暴高层向前部出流,与中纬度引导型飑线结构类似;夏季高空风弱,风速垂直切变小,入流气流上升后向风暴高层的后部出流,与热带传播型飑线结构类似。