城市主城区立体模型的构建与风环境模拟以广州(3)

计算域的实体构建主要在Rhino软件中通过布尔差集运算得到,然后导出到可以接入ICEM CFD中的IGES格式。

3.2 ICEM中的网格划分

由于山体简化后为形状极不规则的曲面,本文在划分网格时采用非结构网格。参数设置适用受计算机性能约束的城市尺度的风环境模拟(表1)。

3.3 边界条件及其设定

入口的风速剖面为：

式中,U(z)为某一高度的平均风速；Ug、Hg分别代表参考高度的平均风速和梯度风高度；z为参考高度；α指地表面粗糙度。东南风(夏季风)风向下的来风主要经过番禺农地、湿地与城镇,选取B类边界层α为0.16。而在北风或西北风(冬季风)风向下的来风主要经过北部的丘陵山区,选取C类标准,α为0.22。两风向下参考高度均为10 m。据五山气象站统计,从1991年至2000年,广州市年平均风速最高为1.8 m/s,最低为1.3 m/s,月平均风速介于1.5—1.8 m/s之间。日平均风速小于1.5 m/s的天气状况约占70.7%,每月大概有21天为静风,弱风或静风频率较高[39]。Bornstein等认为当风速超过4 m/s时,可以有效缓解城市内部的热岛效应[40]。本文选择东南风和西北风两个风向,入流为5 m/s和2 m/s分别代表强风和弱风条件(表2)。计算步数统一设置为1000步。对速度、动量项和湍动能的收敛残差设置均低于10-4,连续项收敛效果较差,故将标准放宽到10-3。

4 模拟结果分析

用近地面相对统一的高度面表达研究区域的风环境,有利于风道的辨识与风场的对比。由于主城区林木和多层建筑形成了除地面以外的9—21m波状起伏第二个风道高度面,本文尝试重点反映相对于地面10、25、50 m三个高度面的风环境。模型北部的白云山由4个高度台阶组成,CFD同一绝对高度的云图截面无法反映相对同一高度整个研究区域的风场环境。鉴于此,分别裁取四块地形台阶绝对高度截面为15、20、30、50 m的风速云图,拼合得到整个研究区域近地面近似10、25、50 m三个相对高度处的风速云图。图3、图 4分别表示了来流弱风(2 m/s)和强风(5 m/s)时,东南和西北两风向下的风道与风场环境。图中白色表示两个高度的建筑截面,北部淡绿色的四块为白云山两个高度的丘陵截面。根据风速云图,广州市主城区风道与风场有如下几个特征：

图3 2 m/s来流下近地面10、25、50 m高度的风速Fig.3 Wind speed of 10 m, 25 m and 50 m above the ground with incoming flow of 2 m/s

图4 5 m/s来流下10、25、50 m近地高度的风速Fig.4 Wind speed of 10 m, 25 m and 50 m above the ground with incoming flow of 5 m/s

4.1 弱风环境下风道作用不明显

弱风条件下(2 m/s),在近地面10 m高度整个广州市主建成区的风速基本在0.8 m/s以下,由道路组成的风道风速低于0.35 m/s,且风道之间风速差异小,风道作用不明显。珠江作为城市尺度最宽的风道风速也只在1 m/s左右。西北风下,白云山西侧与南部的公园风速在1 m/s左右,是城区内部通风较好的区域。在25 m高度,风速并没有明显加强,主城区大部分风速仍在1 m/s左右。50 m高度除了四块白云山丘陵和零星分布的超过50 m聚合体的建筑外,主城区风速差异不大,多在3 m/s左右。两风向下城市整体通风状况不良(图3)。若考虑2 m的行人高度,风况会更差。主城区静风频率达12%,秋季各类风向的平均风速总体略高于冬季。出现频率较多的风向往往风速也较大,秋冬两季的北风平均风速分别为1.98 m/s和2.05 m/s,是全年风速的最大值,春夏两季则在东南风向下平均风速最大,分别为1.93 m/s、1.84 m/s。因此,对于全年以弱风和静风状态为优势频率的主城区,弱风环境下风道风速低、差异小,风道作用的降低具有极大的生态风险。

4.2 5 m/s来流下风道类型多种多样

在5 m/s来流不同盛行风下,不同平面形态、不同风速等级以及不同高度面的风道共存(图 4)。风道平面形态类型多样,除了线性特征突出的道路和河道类(珠江)风道外,还有公园、湿地以及建筑稀疏区域组成的面积不等、走向各异的不同尺度风道。如白云山南侧的公园、白云山西侧的建筑稀疏区域等。来流风速增加到5 m/s,外围风速基本保持在5 m/s以上,城市内部的风道风速在2—3 m/s左右。迎风区域内狭长风道的通风效果优于越秀区、天河区、海珠区中部等城市内部的风道；长度较长、宽度较宽的风道通风效果往往优于长度较短的狭窄风道。在不同风向下,珠江航道的风速在6 m/s左右。珠江和广园快速路为城市尺度通风最好的风道。

除了以地面作为高度面的风道外,还存在以9 m(三层)到25 m(七层)楼顶面作为高度面的风道。在25 m高度面上,风道的宽度与走向明显同10 m高度面具有差异。如白云区西部的低矮工业区、荔湾区、海珠区沿珠江周围的老城区等,这些建筑物的屋顶与两侧建筑物相比,高度相对低矮,成为10 m高度截面上连续和宽阔的通风廊道。在50 m高度,北部盆地与谷底的多层建筑25 m(七层)同周边的地形相结合,构成了通风底面,形成了风道或风口,在两类背景风下通风廊道显得特别突出。

文章来源：《广州化工》 网址: http://www.gzhgzz.cn/qikandaodu/2021/0613/1551.html