256定风场中庭院建筑资用风压模拟研究645.docx

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1、定风场中庭院建筑资用风压模拟研究*基金项目：国家外国专家局重点项目（DZ20062100070）；建设部科技攻关项目（05-k3-26）.作者简介：李威，男，硕士研究生，主要从事建筑节能和建筑环境保障技术研究.沈阳建筑大大学 李 威威，冯国会会，梁传志志，江向阳阳，宁经洧洧摘 要：以计算流流体力学理理论为基础础，采用数数值的方法法定性的分分析其迎风风面与背风风面的总压压力之差，并并与宽度和和高度相同同的底层非非全架空庭庭院建筑周周围风环境境进行了比比较分析得到了底底层全架空空的庭院建建筑和底层层非全架空空的庭院建建筑周围速速度场、压压力场、迹迹线图的分分布情况，并并对结果进进行了对比比、分析同

2、一位置置高度上，底底层全架空空庭院北楼楼资用风压压的均值随随着风速增增加先增大大后减小;底层非全全架空庭院院北楼资用用风压的均均值随着风风速增加而而增大.三三种风速下下，底层全全架空庭院院北楼资用用风压的均均值大体上上随着位置置高度增加加而增大;底层非全全架空庭院院北楼资用用风压的均均值随着位位置高度的的增加而减减小;底层层全架空北北楼的资用用风压基本本上大于底底层非全架架空结构北北楼，并且且同层资用用风压的波波动较小.该结论可可作为底层层架空庭院院建筑周围围风环境研研究的前期期指导和风风洞验证.关键词：底底层架空庭庭院建筑；风场；资资用风压；数值模拟拟多层或高层层民用建筑筑如办公楼楼、教学楼

3、楼、住宅楼楼等，这些些建筑物中中大多数没没有机械通通风式的中中央空调系系统或在每每个房间装装有各种窗窗式、分体体式的空调调器等11.在这这些建筑物物中，充分分利用自然然通风是十十分重要的的，但如何何合理、有有效地利用用自然通风风是一个极极其复杂的的课题，影影响自然通通风效果的的因素很多多2.建建筑底层架架空空间作作为城市公公共开放空空间已受到到人们的普普遍欢迎和和关注33，其研研究具有现现实意义.以计算流体体力学理论论为基础，采采用数值的的方法定性性的分析底底层全架空空庭院建筑筑(如图11(a)所所示)迎风风面与背风风面的总压压力之差，并并与宽度和和高度相同同的底层非非全架空庭庭院建筑(如图1

4、(b)所示示)周围风风环境进行行了比较分分析，分析析底层架空空结构对通通风的影响响，得到了了底层全架架空庭院建建筑和底层层非全架空空庭院建筑筑周围速度度场、压力力场、迹线线图的分布布情况，为为研究底层层架空庭院院建筑周围围风环境的的前期指导导和风洞验验证提供理理论基础.1 数值值模拟方法法1.1 物理模型型以沈阳建筑筑大学的架架空庭院建建筑的数值值模拟对象象.建筑楼楼体共5层层，底层为为架空层.整楼高为为21.33m，架空空底层高为为4.3mm.(a) 底底层全架空空 (bb) 底层层非全架空空图1 底层层全架空及及非全架空空模型图2 庭院院平面图把庭院模型型的四栋围围楼根据方方位分别称称为东

5、楼、南南楼、西楼楼和北楼,如图2所所示.两楼楼之间由一一个大厅连连接.大厅厅的尺寸为为18.66m18.66m21.33m.即整整个庭院模模型由东楼楼、南楼、西西楼、北楼楼及连接两两楼的4个个大厅组成成.底层全全架空庭院院模型中，东东楼、南楼楼、西楼和和北楼都是是底层架空空的建筑；而底层非非全架空庭庭院模型中中，东楼、南南楼、西楼楼和北楼不不都是底层层架空的，只只有南楼和和北楼是底底层架空的的，东楼和和西楼是底底层非架空空的.这两两个庭院模模型的外观观尺寸基本本一致（997.2mm97.22m21.33m）.对对比底层全全架空庭院院和底层非非全架空庭庭院北楼的的周围风场场.1.2 计算区域域确

6、定根据文献4-8，确确定计算区区域：上游游区域、下下游区域分分别为建筑筑物宽度的的3倍和110倍，宽宽度为建筑筑物宽度的的6倍，高高度为建筑筑物高度的的4倍.以以L、B和和H表示计计算区域与与建筑（）相相平行边的的长度，则则计算区域域可表示为为L=，BB=和H=4h.1.3 控制方程程室外大气底底层一般属属于低速湍湍流流动范范围，并且且风速呈典典型的梯度度分布.常常温空气为为黏性、不不可压缩流流体，符合合Bousssineesq假设设.故选取取如下控制制方程和湍湍流模型.湍流流动控控制方程采采用张量形形式的雷诺诺平均Naavierr-Stookes方方程，描述述如下：质量守恒 （1）式中：，为

7、为无量纲速速度和无量量纲长度.动量方程 （22）式中：P为为无量纲压压力；Ree为雷诺数数；为无量量纲空气黏黏度；为无无量纲湍流流动能99.湍流动能输输运方程 （33）式中：为湍湍流模型参参数100， 取取1.0 ；为湍流流动能耗散散率.湍流动能耗耗散率输运运方程 （4）式中：为湍湍流模型参参数，取11.3；系系数分别取取1.444，1.00，1.992，1.0 .平均剪切应应力产生项项，由下式计计算 （5）式中：系数数分别取00.09，11.0 .上述无量纲纲量的定义义为 111 （6）分别代表有有量纲的坐坐标张量、速速度张量、压压力、湍流流动能及湍湍流动能耗耗散率， 为动力黏黏度.1.4

8、计算方法法采用有限体体积法对上上述偏微分分方程组进进行离散.其中，对对扩散项采采用中心差差分方法，而而对流项采采用QUIICK差分分方法.采采用SIMMPLE算算法和交错错网格技术术来实现压压力和速度度的解耦，以以避免不合合理压力、速速度场的出出现122.2 边界界条件确定定2.1 来流面边边界条件平均风速沿沿高度变化化规律按风风工程中常常用的指数数率形式给给出： （7）为参考高度度处的水平平方向分速速度，；为粗糙指指数，取为为0.30013.分析近近年沈阳地地区气象资资料，得到到具有代表表性的3个个对应于参参考高度处处的值（见见表1）表1 风风速样本点点的选择序号风速(ms-1)备注13.2

9、2过渡季节平平均风速21.95月平均风速速最小值33.93月平均风速速最大值2.2 上空面、侧侧面及出流流面边界条条件上空面、侧侧面及出流流面边界条条件由于计计算区域尺尺寸较实际际大许多，故故认为出流流面处流动动已充分发发展，各变变量的法向向梯度为零零.上空面面、侧面与与来流面及及出流面一一样，均无无实际的物物理边界，需需作边界条条件的假设设.现计算算控制区域域取得较大大，上空面面及侧面离离建筑物壁壁面较远，并并且来流为为水平风向向，可以认认为速度沿沿切线方向向的梯度为为零，沿法法向的值为为零，而对对于其他标标量如等则则取为沿法法向的梯度度为零.2.3 对计算区区域内地面面及建筑的的处理建筑物

10、表面面做无滑移移处理.将将地面处用用平均粗糙糙高度设置置为4mmm，粗糙系系数设置为为0.5.建筑物表表面平均粗粗糙高度设设置为2mmm，粗糙糙系数设置置为0.55.2.4 近壁面边边界条件标准模型对对充分发展展的高速流流有效.对对于近壁面面附近的流流动，由于于流速较低低，雷诺数数较小，湍湍流的发展展并不充分分.对此，在在近壁面处处采用壁面面函数法来来处理.虽虽然其存在在着一定的的不足，但但其精度足足以满足建建筑工程上上的需求.3 架空空庭院建筑筑对资用风风压的影响响3.1 数据采集集在三种速度度场中，采采集从二层层到五层窗窗前的总压压，根据统统计规律求求出各层窗窗前的总压压均值，求求对应高度

11、度的迎风面面和背风面面的总压压压差，即资资用风压.3.2 资用风压压3.2.11 底层全全架空庭院院北楼图3(a)、(b)、(c)分别显示示了在1.95m/s、3.22m/s、3.93m/s的风场场中，底层层全架空庭庭院北楼二二层到五层层的资用风风压（迎风风面和背风风面的总压压压差）随随着与中轴轴面距离的的不同而变变化.(a) (bb) (cc)图3 定定风速底层层全架空庭庭院北楼由图3可知知，风速11.95mm/s，底底层全架空空庭院北楼楼二层同层层资用风压压波动最为为明显，其其次依次是是三层、四四层和五层层，其资用用风压的最最大值出现现在离中轴轴面16mm左右的位位置.风速速3.222m/

12、s、33.93mm/s，基基本上随着着高度的增增加资用风风压增大，并并且北楼两两侧资用风风压略大于于中间位置置.表2 全全架空庭院院北楼统计计数据位置风速MeanSDSizeMediaanMaxMin二层1.950.161170.209991640.1333790.497718-0.188299三层1.950.2088050.110054640.1911580.3811090.064486四层1.950.2299920.064432640.2300570.3222830.122211五层1.950.2177630.048834640.2322380.2799310.12228二层3.223.4

13、999310.084448643.5055193.7966873.378897三层3.223.6066930.132286643.5988923.9444713.430092四层3.223.8366460.123385643.8377254.0822023.664427五层3.224.4533360.144411644.464484.6855624.248823二层3.932.4411330.051162642.435542.6700052.36999三层3.932.4322840.089974642.4322742.7588532.304499四层3.932.8322370.10886264

14、2.8322423.0499032.6466五层3.933.5377370.181122643.5644363.803363.183379对表2的统统计数据，分分别按定风风速和定楼楼层两种方方式来分析析.(a)定风风速三种风速下下，底层全全架空庭院院北楼资用风风压的均值值大体上随随着位置高高度增加而而增大；风风速1.995m/ss,北楼资用风风压的标准准差大体上上随着位置置高度增加加而减小;风速3.22m/s，北楼楼资用风压压的标准差差最大值出出现在五层层高度，其其次依次为为三层、四四层和二层层；风速33.93mm/s，北北楼资用风风压的标准准差大体上上随着位置置高度增加加而增大.风速3.22

15、2m/ss，二层高高度位置资资用风压的的均值为33.499931 PPa，三层层为3.6606933 Pa，四四层为3.836446 Paa，五层为为4.455336 Pa.二二层到三层层资用风压压的均值增增加了0.107662 Pa，增长长3.088%；三层层到四层，资资用风压增增加了0.229553Pa，增增长6.336%；四四层到五层层，资用风风压增加了了0.61169Paa，增长166.08%.二层到到五层，资资用风压增增加了0.954005 Pa，增长长27.226%.在在风速为11.95mm/s和33.93mm/s下，二二层到五层层的资用风风压分别增增加了0.055993 Paa和

16、1.096604 PPa，即增增加34.59%和和44.990%.(b)定楼楼层同一位置高高度上，底底层全架空空庭院北楼楼资用风压压的均值随随着风速增增加先增大大后减小.当风速从11.95mm/s增加加到3.222m/ss，增大值值为1.227m/ss，风速增增大了655%，北楼楼二层到五五层资用风风压均值分分别增大33.337761Paa、3.3398888Pa、33.606654Paa和4.2235733Pa，即即分别增长长了20664.088%、16633.668%、11568.61%和和19466.30%.当风速速从3.222m/ss增加到33.93mm/s，风风速增长了了22%，增增

17、大值为00.71mm/s，北北楼二层到到五层资用用风压均值值分别减小小1.055798PPa、1.174009Pa、11.004409Paa和0.9915999Pa，即即分别降低低了30.23%、332.555%、266.17%和20.57%.即当风速速从1.995m/ss增加到33.22mm/s，最最大的受益益楼层是二二楼，其次次是五楼、三三楼和四楼楼；当风速速从3.222m/ss增加到33.93mm/s，受受影响而使使资用风压压减小最多多的是三楼楼，其次是是二楼、四四楼和五楼楼.这里出出现的随着着来流风速速增大而资资用风压却却减小的现现象与南楼楼的阻挡效效应有关.3.2.22 底层非非全架

18、空庭庭院北楼图4(a)、(b)、(c) 显示了了不同风速速下，底层层非全架空空庭院北楼楼资用风压压（迎风面面和背风面面的总压差差）随着与与中轴面距距离的不同同而变化. (a) (b) (c)图4 定定风速底层层非全架空空庭院北楼楼由图4可知知，三种风风速下，随随着与建筑筑中轴线的的距离的增增加，底层层非全架空空庭院北楼楼各层的资资用风压均均逐渐增大大，但在靠靠近两端时时，二层资资用风压突突然下降，三三层至五层层则突然上上升.同一一水平位置置上，底层层非全架空空庭院北楼楼的资用风风压随着高高度的增加加而减小.表3 非非全架空庭庭院北楼统统计数据位置风速MeanSDSizeMediaanMaxMi

19、n二层1.950.3477340.064453460.3166950.4655570.281134三层1.950.2211340.0511460.2033370.3322170.166606四层1.950.1477790.056622460.1366710.2900080.085561五层1.950.1388620.072286460.1299350.2977680.054426二层3.221.0200340.150011460.9477241.3011810.847737三层3.220.6233610.140072460.5866540.9222550.455506四层3.220.37553

20、90.157748460.3499870.7777810.201171五层3.220.3177540.197717460.2855810.7699770.097791二层3.931.5855840.204451461.501141.9633821.320002三层3.930.9333170.224465460.8899051.3888930.672254四层3.930.5422650.242223460.5000891.1588520.283367五层3.930.4388560.277751460.3866091.1044660.139939对表3的统统计数据，分分别按定风风速和定楼楼层两种方

21、方式来分析析.三种风速下下，底层非非全架空庭庭院北楼资资用风压的的均值随着着位置高度度的增加而而减小；底底层非全架架空庭院北北楼资用风风压的标准准差的最大大值都出现现在五层高高度位置.(a)定风风速三种风速下下，底层非非全架空庭庭院北楼资资用风压的的均值随着着位置高度度的增加而而减小.底底层非全架架空庭院北北楼资用风风压均值的的最大值是是二层，其其次依次是是三层、四四层和五层层.风速33.22mm/s下，北楼二层到五层资用风压的均值分别为1.02034Pa、0.62361Pa、0.37539Pa和0.31754Pa.从二层到五层资用风压均值的逐层减小值分别为0.39673Pa、0.24822P

22、a和0.05785Pa，分别降低了38.88%、39.80%和15.41%.风速1.95m/s下，北楼二层到五层资用风压均值的逐层减小值分别为0.126Pa、0.07355Pa和0.00917Pa，分别降低了36.28%、33.23%和6.20%.风速3.93m/s下，北楼二层到五层资用风压均值的逐层减小值分别为0.65267Pa、0.39052Pa和0.10409Pa，分别降低了41.16%、41.85%和19.18%.风速3.222m/ss下，底层层非全架空空庭院北楼楼资用风压压的标准差差的最大值值为五层, 其次依依次是四层层、二层和和三层；风风速1.995m/ss下，底层层非全架空空庭院

23、北楼楼资用风压压的标准差差的最大值值为五层, 其次依依次是二层层、四层和和三层；风风速3.993m/ss下，底层层非全架空空庭院北楼楼资用风压压的标准差差的最大值值为五层,其次依次次是四层、三三层和二层层.即五层层资用风压压的同层波波动最明显显.(b)定楼楼层同一位置高高度上，底底层非全架架空庭院北北楼资用风风压的均值值随着风速速增加而增增大；底层层非全架空空庭院北楼楼各层的资资用风压的的标准差也也都随着风风速增加而而增大.当风速从11.95mm/s增加加到3.222m/ss，风速增增长了655%，增大大值为1.27m/s，底层层非全架空空庭院北楼楼二层到五五层资用风风压均值分分别增大00.6

24、733Pa、00.402227Paa、0.22276PPa和0.178992Pa，即即分别增长长了1933.76%、1811.74%、1544.00%和1299.07%.当风速速从3.222m/ss增加到33.93mm/s，风风速增长了了22%，增增大值为00.71mm/s，北北楼二层到到五层资用用风压均值值分别增大大0.56655Paa、0.3309566Pa、00.167726Paa和0.1121022Pa，即即分别增长长了55.42%、449.644%、444.56%和38.11%.即当风速速从1.995m/ss增加到33.22mm/s，最最大的受益益楼层是二二层，其次次是三层、四四层和

25、五层层；当风速速从3.222m/ss增加到33.93mm/s，最最大的受益益楼层是二二层，其次次是三层、四四层和五层层.若把11.95mm/s到33.93mm/s当成成一个大的的过程，则则其资用风风压的均值值分别增加加1.23385Paa、0.7711833Pa、00.394486Paa和0.2299944Pa，即即分别增长长了3566.57%、3211.60%、2677.18%和2166.38%，则可知知最大的受受益楼层是是二层，其其次是三层层、四层和和五层.底层非全架架空庭院北北楼各层的的资用风压压的标准差差也都随着着风速增加加而增大.当风速从从1.955m/s增增加到3.22m/s，北楼

26、楼各层的资资用风压的的标准差分分别增大00.085558Paa、0.0089722Pa、00.101126Paa和0.1124311Pa，分分别增长了了132.62%、1175.992%、1180.111%和1170.661%；当当风速从33.22mm/s增加加到3.993m/ss，北楼各各层的资用用风压的标标准差分别别增大0.05444Pa、00.083393Paa、0.0084755Pa和00.080034Paa，分别增增长了366.24%、59.64%、553.822%和400.75%.风速11.95mm/s增大大到3.993m/ss，北楼各各层的资用用风压的标标准差分别别增大0.139

27、998Pa、00.173365Paa、0.1186011Pa和00.204465Paa，分别增增长了2116.922%、3440.499%、3330.866%和2880.888%.即风风速的增长长对二层的的同层资用用风压的波波动的影响响最小，对对三层的同同层资用风风压的波动动的影响最最大.3.3 底层全架架空庭院北北楼与底层层非全架空空庭院北楼楼的资用风风压对比表4 底底层全架空空与非全架架空庭院北北楼对比位置风速MeanSD全架空非全架空差值全架空非全架空差值二层1.950.161170.347734-0.1885640.2099910.0644530.145538三层1.950.20880

28、50.221134-0.0113290.1100540.05110.059954四层1.950.2299920.1477790.0822130.0644320.0566220.00881五层1.950.2177630.1388620.0799010.0488340.072286-0.022452二层3.223.4999311.0200342.4788970.0844480.150011-0.066563三层3.223.6066930.6233612.9833320.1322860.140072-0.000786四层3.223.8366460.3755393.4611070.1233850.15

29、7748-0.033363五层3.224.4533360.3177544.1355820.1444110.197717-0.055306二层3.932.4411331.5855840.8555490.0511620.204451-0.155289三层3.932.4322840.9333171.4999670.0899740.224465-0.133491四层3.932.8322370.5422652.2899720.1088620.242223-0.133361五层3.933.5377370.4388563.0988810.1811220.277751-0.099629由表4的统统计数据，风风

30、速1.995m/ss，底层全全架空结构构北楼除二二层、三层层外其余各各层的资用用风压的均均值都大于于底层非全全架空对应应层的资用用风压的均均值；底层层全架空结结构北楼除除五层外其其余各层的的资用风压压的标准差差都大于底底层非全架架空对应层层的资用风风压的标准准差.风速速3.222m/s、33.93mm/s，底底层全架空空结构北楼楼各层的资资用风压的的均值都大大于底层非非全架空对对应层的资资用风压的的均值；底底层全架空空结构北楼楼的各层资资用风压的的标准差都都小于底层层非全架空空对应层的的资用风压压的标准差差.总得来来说，三种种风速下，底底层全架空空北楼的资资用风压基基本上大于于底层非全全架空结

31、构构北楼，并并且同层资资用风压的的波动较小小.4 结 论（1）同一一位置高度度上，底层层全架空庭庭院北楼资用风风压的均值值随着风速速增加先增增大后减小小.（2）同一一位置高度度上，底层层非全架空空庭院北楼楼资用风压压的均值随随着风速增增加而增大大.（3）三种种风速下，底底层全架空空庭院北楼楼资用风压压的均值大大体上随着着位置高度度增加而增增大.（4）三种种风速下，底底层非全架架空庭院北北楼资用风风压的均值值随着位置置高度的增增加而减小小.（5）三种种风速下，底底层全架空空北楼的资资用风压基基本上大于于底层非全全架空结构构北楼，并并且同层资资用风压的的波动较小小.参考文献: 1 贾庆贤，赵赵荣义

32、.吹吹风对舒适适性影响的的主观调查查与客观评评价J.暖通空空调，20000，330(3) :155-17. 2 龚光彩，李李红祥，李李玉国.自自然通风的的应用与研研究J.建筑热热能通风空空调，20003，222(4):4-6. 3 李艳卓，任任斌.谈建建筑底层架架空式开放放空间设计计J.辽辽宁建材，22005，55:60-61. 4 杨洁等.设设有空中花花园的高层层住宅建筑筑自然通风风的研究J.暖暖通空调. 20044，34(5):11-5. 5 Fluennt Innc.，FFLUENNT Ussers GuuideM. NH: Flueent IInc.，22003. 6 Fluennt

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