基于PHOENICS的校园宿舍室外风环境模拟研究

成思维 赵 祥

(西南科技大学，四川 绵阳 621000)

高校的扩招使得在校大学生的数量急剧增加，学生的学习与生活的需求与现有的高校宿舍不匹配，而新建的大学往往在偏僻的城市郊区并且规模较大，宿舍风环境的问题也逐渐暴露了出来[1]。本文根据当地气象数据，将宿舍的三维模型输出至PHOENICS软件中，对西南科技大学新区八栋宿舍楼进行风环境模拟，试图通过评价其现有建筑布局风环境状况，总结规律，为以后校园宿舍建设提供参考。

1 模拟方法及原理

1.1 软件选择

计算流体力学(Computational Fluid Dynamics,简称 CFD)是通过计算机数值计算和图像显示，对包含流体流动和热传导等相关物理现象的系统所做的分析。计算流体力学的软件有很多，市面上较为常用的风环境模拟软件有FLUENT，PHOENICS，AIRPARK，VENT等，本文选择PHOENICS,其特点参数设置直接，网格可半自动生成、仿真预测高效、快速、直观的软件，并且通过大量的试验验证了该软件仿真具有正确性和结果准确率高的优势[2]。

1.2 数学模型的选取

学校宿舍室外风的流动属于不可压缩和低速湍流区域，同时也考虑到计算机硬件水平和计算效率，本文采用的是最为常用的标准k-ε湍流模型，其所涉及到的方程如下。

(2)连续性方程

(3)动量方程

(4)k方程

(5)ε方程

2 计算模型与计算域、网格的确定

为了减少计算时间，加快收敛速度，在不影响模拟结果的前提下对建筑模型进行适当的简化，将建筑物表面微小的凹凸处忽略，将其处理成较为规则的立方体。

风场的作用范围是比较大的，因此计算域的范围应该选择的较大一点，但是太大的计算域会导致模拟计算成本的增加，所以依照以往模拟经验来看，本文计算域的高度为最高建筑的5倍，长度为建筑群宽度的8倍，宽度为建筑群宽度的5倍，同时本文采用局部加密网格的方法对模型进行网格划分，网格数大约123万。

3 边界条件的处理

3.1 来流面边界条件(表1)

由于地表摩擦，风速随着离地面高度的变化而变化，但是当达到一定高度后风速所受刀锋摩擦力便可忽略不计，一般为300m～500m左右.来流面风速的变化规律以指数率表示为[3]

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;α为由地形粗糙度所决定的幂指数。我国规范将地形分为A，B，C，D四类，参照研究区域本文选择0.16。

3.2 出流边界

由于所设置的计算域较大，可以认为出流面上的流动已经充分发展，即认为风的流动状态已经不受建筑物的影响。

表1 边界条件

3.3 建筑上方与两侧边界条件

由于所设置的计算域较大其高度和两侧距离建筑物都比较远，所以空气的流动几乎不受影响，采用自由滑移边界条件。

3.4 建筑壁面边界条件

本文所采用的是标准k-ε湍流模型，适用于高雷诺数的湍流，但是在离建筑壁面很近的区域，层流粘性对其影响变大了，故需对k-ε湍流模型进行修正，本文采用壁面函数法修正。

4 校园宿舍楼群风环境模拟分析

本文所模拟的区域为绵阳市涪城区西南科技大学新校区八栋学生宿舍，该建筑群南北朝向，排列较为整齐，为方便描述将宿舍楼排列如图1所示。

图1 宿舍楼排列图

图2 1.5m夏季风速云图

4.1 典型模拟条件的选取

通过查阅绵阳2000-2010年的气象数据，绵阳冬季平均室外风速为1.4m/s，风向为东；夏季室外平均风速为1.7m/s，风向为东北偏北。

4.2 模拟结果及分析

4.2.1 夏季模拟结果分析

图2～4分别是1.5m处人行高度处的风速云图，风速矢量图、建筑表面风压图。从图2来看，宿舍区域整体风速较为低且平缓，大约0.78～1.12m/s之间，建筑与夏季东北偏北主导风向呈现出一定夹角，在宿舍楼迎风面的拐角处的风速相对来说有明显提升大约在1.12～1.8m/s之间。另外在宿舍楼群两侧的风速很低，八栋楼都出现了不同程度的静风区,均在宿舍楼的东、西入口处。在宿舍楼的各层楼道上下是不封闭的，也是为了保证宿舍楼里的通风，即使如此，3，4，5，8号楼内部的北面和7号楼内部的南面出现了静风区，不利于颗粒物、污染物的流通。图3大致显示了风流动的方向，在建筑的背风面，形成了风影区，在此区域内形成风速缓慢的回流，由于各楼层并不封闭，回流也可以得到向东方向的疏通，但是1号楼西入口处的气流很杂乱，2号楼形成了涡流，不利于污染物、颗粒物的疏通。图4为宿舍楼表面风压图，迎风面阻挡来流风形成正压，在其背风面和侧面，空气少速度低从而形成负压。在这八栋楼里，迎风面一侧楼的通风情况较好压差大约在1Pa左右，1，2，4，6，7号楼的东南角风压约在2.7～3.6Pa之间，这样有利于室内通风，而背风面一侧的3，4，5，6，7号楼的通风情况较差一些，前后压强差别不大，但考虑到实际情况，宿舍楼的东西向均开设了阳

图3 1.5m夏季风速矢量图

图4 夏季建筑表面风压图

台，故这一问题也可以得到有效解决。总的来说宿舍楼的风压相对稳定，通风情况良好。

4.2.2 冬季模拟结果分析

从图5可以看出，冬季风速偏低，且风向垂直于宿舍楼开口处，但是在冬季为了御寒，人们选择把门窗关闭，再加上宿舍楼门口造型为凹型，不利于风的流动，因此在宿舍门前形成静风区。1，2，4，6，7号楼的迎风拐角处风速相对来说较高一点。风速矢量图(图6)可以看出，由于冬季风是完全垂直于建筑迎风面的，故所形成的建筑风影区的宽度与长度都高于夏季，这样一来就不利于空气的流通。1号楼背风面西口气流较为紊乱，这可能是1号楼与2号楼之间所形成的狭小空间，加快了风的流动，而1号楼的北侧没有建筑风速相对较缓，这样就造成了1号楼背风面风影区风速北慢南快的现象，两股气流交织所造成的紊乱，2号楼西口产生了涡流，不利于颗粒物的排散。在风压图中，建筑迎风面的风压最高，背风面最低，迎风面最高大约在1.0058Pa左右，背风面最低-1.3808Pa左右，由于冬季的风向与宿舍楼阳台开口的方向一样，在冬季需要考虑宿舍楼在东西向的保暖措施。

图5 1.5m东季风速云图

图6 1.5m东季风速矢量图

5 结 论

1通过冬夏两季的模拟，宿舍楼的东西入口都存在一定的静风区这与风速和建筑形态有关，绵阳属于弱风地区，加上“凹”字形的建筑形态，容易使空气不流通，应减少这一形态的建筑；发现不管是冬季还是夏季，一号楼西入口的气流都很紊乱，建议在一号楼西南侧种植树木平衡风速以免造成乱流现象；南北朝向的宿舍楼与冬季的盛行风垂直，这就与宿舍楼阳台东西向开口方向同向，不利于冬季保暖，建议在宿舍楼的东侧栽种高大乔木以御寒风。