基于CFD的多方法城市区域风环境模拟研究

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城市空间的迅速扩张和城市人口的急剧增加对构建舒适宜人的城市环境提出了更高的挑战与要求,城市风环境问题在此背景下越来越得到人们的重视,合宜的城市通风可加快城市空间与自然空间的物质能量交换,对缓解城市局地微气候及增强居民舒适感有积极意义。目前,CFD(Computational Fluid Dynamics)计算机仿真技术作为新兴工具,是城市风环境研究中极为重要的方法,但模拟过程中计算参数的选取如湍流模型等学术界尚没有统一的定论;而另一方面,大尺度的城市风环境模拟中对低矮建筑的处理方法,也在一定程度上影响模拟结果的准确性。本文基于上述问题,开展如下研究:为结合并弥补传统RANS、LES方法各自的优缺点,本文利用UDF编程实现V2F/LES混合湍流模型对风环境的数值模拟,并通过单体高层建筑标模风洞试验验证了其计算可靠性。在此基础上,以厦门五通区域为研究对象,分别进行了区域建筑全建模、基于附加源项的局部替代建模及基于粗糙度的局部替代建模三种方法的数值模拟研究。应用V2F/LES混合湍流模型及工程上常用的标准κ-ε模型模拟了该区域建筑全建模时两个主要风向下风环境特性,结果表明该混合模型对建筑群尾流涡旋结构的捕捉更为细致、全面;通过基于UDF编程的附加应力源项法及指定粗糙度法两种局部替代建模模拟方法结果的对比分析,发现前者摩阻效应传递明显,后者的整体流动形态更为接近全建模法;最后利用指定粗糙度的局部替代建模方法,模拟了研究区域内8个风向下的强风入流情形,分析某大厦各建筑表面的风荷载分布特征,并与“莫兰蒂”台风对当时该建筑玻璃幕墙致损的调研结果对比。综上,本文基于UDF自主编程将混合湍流模型方法用于城市片区风环境模拟,探讨了混合模型的适用性问题;在低矮建筑的处理上利用指定粗糙度的方法与现场调研情况对比取得了较好的效果,可为其它更大尺度的城市风环境模拟提供一定的参考。
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