基于计算流体力学技术的大尺度复杂地形山区风环境模拟
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摘要：我国的城市规划设计中常会涉及到“环境品质”“绿色通廊”“人居环境”等概念，这些都需要对风环境的研究及应用。本文基于CFD（计算流体力学）技术，以浙江省丽水市青田县石溪乡为研究对象，围绕近地表低空区域，模拟山区乡村区域的风速场，并对其风环境特征的规划设计展开相应的深入研究。研究结果表明：即使模拟区域的地形复杂、计算范围广，仍可通过分步计算控制法对大尺度模型进行CFD模拟分析，并给出合理的风场结构；不仅如此，在山区乡村规划设计中，人居活动区应尽量远离在山体附近，减小环境风回流区对人居安全带来的风险，进一步证明了山体对建筑表面风速分布的影响不容忽略。最后，本文认为“风环境”可作为山区乡村规划的一个评价指标，提供一定的定量分析及参考依据，为提高人居环境品质提供规划设计思路。
關键词：乡村规划；大尺度复杂地形；山区；风环境；石溪乡；CFD
doi：10.3969/j.issn.1009-1483.2019.03.010？中图分类号：P425
文章编号：1009-1483（2019）03-0063-08？文献标识码：A？？？？
Wind Environment Simulation in the Complex Terrain of Mountain Area with Large Scale on the Basis of CFD： Taking Shixi Township as an Example
QIU Guoping， ZHANG Junshen， YANG Zhenwen， SUN Yiyin
[Abstract] The concepts of "environmental quality" "green corridor" and "human settlement environment" are usually involved in urban planning and design in China， which are the preliminary studies and applications of wind environment. Therefore， based on CFD technology， this paper takes Shixi Township， Qingtian County， as the research object， simulates the wind speed field in the rural area of mountainous zone around the near surface low altitude area， and carries on the corresponding research to the planning and designing of wind environment characteristics. The results show that despite the complex terrain and wide computing range of the stimulating area， the CFD simulation analysis of the large-scale model can be carried out by the stepwise computational control method， and the reasonable wind field structure can be obtained. What’s more， the human settlement area should be far away from the mountain so as to reduce the risk of the environmental wind return zone to the human settlement safety， which acts as a further prove that the influence of the mountain body on the wind velocity distribution on the building surface should not be ignored. Finally， this paper holds that "wind environment" can be applied as an evaluation index for rural planning in mountainous areas， which can provide certain quantitative analysis and referential information， and suggest planning and designing ideas for improving the quality of human settlement.
[Keywords] rural planning； large scale complex terrain； mountainous area； wind environment； Shixi Township； CFD
引言
在我国的城市规划设计中常会涉及到“环境品质”“绿色通廊”“人居环境”等概念，这些都需要对风环境的研究及应用。在城市规划设计与研究中，需要运用气候学的相关知识，跟踪观测规划区域的气候特征，将气候学的研究成果及数据转译成城市规划可用的设计语言[1]，并进行相应的评估分析，以做到因地制宜[2-4]。而对于山区乡村规划当中，由于其地形地貌区域的特殊及复杂性，风环境的影响也成为了如今规划设计中一个重要的参考指标。
通常针对一个山体而言，风环境的影响差距主要体现在迎风坡与背风坡。当环境风主导风向与山体一致时，由于空气收到山脊截面的挤压，压力的增大导致风速加剧，因此在山脊处的风速达到峰值。反之，当山脊截面增大时，由于气流压力减小，风速随之降低，即文氏效应（见图1a）。而当环境风主导风向与山体相反时，则在山体背风处形成涡流区，且坡度越大风向逆转的区域约为明显（见图1b）。
应当指出，由于乡村下垫面地形的变化，山区乡村风环境会变得更为复杂，尤其当流经山体背风面狭窄街道内部及乡村建筑裙楼时，风向发生转角，气流受到挤压，风速会骤升至来流平均风速的2～3倍，甚至更为严重[5]。因此，测量其中风速环境，对规划设计作出指导，进一步提升山区乡村规划的品质则变得愈发关键。
而现场实测是研究风环境最直接有效的方法，对建成建筑进行实地測试，收集风环境数据资料，对后期设计和研究工作具有重要的意义[6-7]。但现场测试往往是针对已建建筑进行，无法对规划设计初期提供参考数据。且现场实测极易受外界因素限制，实际操作中需消耗大量人力物力。因此，现场实测并非最适宜的风环境研究手段。
风洞实验是目前研究风环境运用最广泛的手段之一，依据相似性原理，将待测对象制成比尺模型后放置在风洞通道内，通过一系列人工控制方法使风洞内的气流达到模拟所需的流动状态，以完成实际所需的试验工况。但实验模型制作费时费力，投资成本较高，风洞试验周期长，且实验的还原度较低，具有一定的局限性。
近年来，随着计算机技术的不断提高，计算流体力学（Computational Fluid Dynamic， CFD）技术越来越受到重视和广泛应用，并取得了不少成果[8]。相比于传统方法，CFD是建立在Navier-Stoke方程近似解基础上的计算技术，克服了风洞试验周期长、精度差、投资成本高的缺点，直接在计算机上建立数值方程，采用离散求解的方法分析流体动形态，目前市面上常见的CFD模拟软件主要有Fluent、CFX、Icepak、Mixsim等，而Flunet作为其中的佼佼者，含有丰富而准确的物理模型，迄今为止开发的Spalart-Allmaras模型、k-ω模型、k-ε模型、LES模型等能够精确地模拟出层流、湍流、无黏流的流场形态，市场占有率达到了60%以上[9]。
因此，文章采用CFD技术，以石溪乡为研究对象，围绕近地表低空区域，模拟相邻山谷间乡村规划区域的风速场，对山区小乡村风环境特征的规划设计展开相应的研究。
1 CFD模拟概况
1.1 模拟对象概况
石溪乡隶属于浙江省丽水市青田县，乡域总面积29.6km2，人口约0.7万人。全年温和湿润，四季分明，依山傍水，三面环山。地貌构成中丘陵低山占比89.7%，区域地形复杂，切割强烈，千嶂万壑，层峦叠翠，地势由北向西南方向倾斜，全区海拔最低处位于村落内，海拔仅为6m（见图2）。
将2013年至2017年的气象数据进行整理，发现5年内青田县平均气温19.26℃，平均风速1.88m·s-1，平均湿度72.68%，平均日照时长4.26 h。统计5年内的风向频率，ENE（东北偏东风）占比33.30%、NE（东北风）占比12.49%、E（东风）占比11.66%，将5年内的温度、风速、湿度、日照时间按四季进行分割，并对全年风向频率进行统计，通过该区域风玫瑰可以看出青田县5年内67.96%的风向区域都集中在N～E的范围内，基本与石溪乡乡村区域地形保持一致，形成了一条狭长的通风廊道（见表1、图3）。
1.2 计算流程与边界条件
对于大尺度规划区域风环境模拟，采用传统的整体计算方式确保计算精度，由于软件和设备限制，模型体量及复杂程度将导致无法导入计算，且网格数量庞大、计算时间过长等问题也将直接影响计算效果。因此为确保模拟结果的真实性及准确性，文章提出了适用于大尺度规划区域风环境模拟分布计算控制流程（见图4）。
首先运用CAD及Solidworks进行建模，建立青田县石溪乡山体地形几何模型。在建模过程中，对研究对象中的山体及建筑模型进行简化，山体高度按等高线进行绘制，最高海拔取220m，模拟计算区域长、宽、高分别为3000m、1800m和400m（见图5a）。入口边界条件采用自定义函数UDF（User Define Function）导入，由于地表摩擦的结果，使接近地表的风速随着离地面高度的增加而增大，在离地面300～500m以上的地方，风速将不受地表的影响，能够在气压的作用下自由流动，从而达到最大速度。平均风速沿高度的变化规律，常称为平均风速梯度，出现这种速度的高度叫梯度风高度。在400m以下，风速按指数关系[10-11]变化：
其中，v为某一高度上的风速，v0为地面上方10m高度上测得的风速，即气象局测试的风速。Z为高度，Z0为10m。α为地面粗糙系数，该值与地形地貌、建筑环境等因素有关，根据规范[12]取0.25。出口边界相对压力为0，底面为Wall壁面边界条件，计算域共计2.11×107个单元，采用六面体网格划分，单元网格质量均匀良好（见图5b）。
将计算模拟区域的建筑进行简化，并进行分割，将每个分割区域进行独立建模，分割区域时不仅需要考虑模拟的准确性，还要综合评判软件的计算承受力及鲁棒性。因此，结合整个乡村区域的区块划分，确保模拟结果的准确性，本次模拟选取两个重点区域进行建模计算。City 1计算域长、宽、高分别为600m、300m、300m，City 2计算域长、宽、高分别为1000m、800m、300m（见图6a、b）。入口湍流强度剖面采用UDF实现，函数型式采用Matlab对地貌断面剖面进行拟合。出口边界相对压力为0，底面为Wall壁面边界条件，建筑物外壁设为无滑移、不可穿透壁面边界条件，City 1计算域共计0.48×107个单元，City 2计算域共计0.61×107个单元，采用六面体网格划分，单元网格质量均匀良好（见图6c、d）。
1.3 控制方程及求解方法
在直角坐标系下建立环境风的模拟计算区域，假设室内气流为连续、稳定、不可压缩牛顿流体，采用有限体积法对控制方程进行离散，其中扩散项采用中心差分，对流项采用二阶迎风格式。利用Gauss-Seidel迭代法求解离散后的代数方程组，首先通过SIMPLE算法得到流场压力和速度。其中，所有的控制方程包括连续性方程、动量方程、k方程及ε方程如式（2）～（6）所示，简化后公式如式（5）～（6）所示。
2.2 地形风场分析
将石溪镇地形地貌进行风环境模拟，距离地面1.5m时平均风速1.81m·s-1，最大风速为3.81m·s-1。A、B区域主要为风场低速区，平均风速为1.63m·s-1 （见图7a）。而气流在进入山体区域时，由于气流撞击山体，导致风速逐步削弱，但当气流进入C、D两个区域后，风速明显提高，平均风速达到1.99m·s-1，这是由于气流在入口方向均匀流经山谷区域时，气流受到两侧山体的挤压，风压的增大造成流速的加快，因此在乡村规划区域主轴线形成了一个风场加剧风道。并且随着空间高度的升高此现象尤为明显，图7b为距离地面10m的风速场分布。平均风速为3.12m·s-1，最大风速6.21m·s-1出现在C区域的中部，风环境低速、高速区域分布规律基本与1.5m处一致。
通过对春、夏、秋、冬四个季节的风速场进行比较，发现气流组织形式与上文保持一致（见图8）。其中，夏季风速梯度最高，平均风速为4.28m·s-1，其次为秋季，平均风速为3.75m·s-1，春季、冬季的平均风速分别为3.47m·s-1、3.55m·s-1。代入式（7）式（8）进行计算，得出春、夏、秋、冬四季的温湿指数（THI）分别为18.03、27.76、19.95、9.78，感觉程度依次为舒适、热、舒适、冷；春、夏、秋、冬四季的风效指数（K）分别为-355.37、-36.84、-311.90、-636.34，感觉程度依次为舒适、热、舒适、凉。可见该地形地貌条件下，整体宜居度较高，人体感官适宜度较为舒适。
2.3 建筑区域风速场分析
对上文中City 1、City 2区域的剖面風速进行数据提取，采用Matlab进行函数拟合，风速场散点拟合剖面如图9所示，拟合出的函数型式进行修正后见式（9）、式（10）。
由图可以看出气流组织在直接流经建筑物时，City 1、City 2前排风速普遍较高，将建筑迎风面的数据进行提取，结果发现City 1平均风速为3.11m·s-1，最大风速为6.71m·s-1，City 2平均风速为6.15m·s-1，最大风速为10.35m·s-1。可见由于山区地形的特殊性，在乡村规划布局主轴线上形成了一条引导风道[15]，加剧了乡村建筑的风速场。而由于第一排建筑物的遮挡，City 1城镇中心区域的风速范围为0.14～0.56m·s-1，且出现了涡流区域[16]，即流动滞止区，使得该区域的换气效率降低，人体舒适度下降。同理，City 2亦是如此，中心区域的风速范围为1.12～2.03m·s-1。应当指出，通过City 2的风速场云图，发现在City 2的左右两侧分别形成了一个强风速带。因此，将夏季、冬季z方向的风速场进行进一步比较，得到如下风速场分布（见图11）。
由图可见，由于入口风速边界条件的变化，在模拟区域两侧环境风的差异非常明显，并且在风道末尾两侧出现了高风速，夏季风速场最高出现了20.71m·s-1，达到了大风等级，地面物理现象为折毁树枝，存在一定的安全风险；冬季最大风速为15.35m·s-1，亦达到了疾风等级，结合湿热指数及风效指数，人体感觉温度为酷冷。不仅如此，在通道中间区域出现了负方向的速度，这是因为空气流经山体背风面时由于坡度逆转，导致环境风回流进一步加剧了乡村建筑区域的风场环境，末位建筑迎风区域的平均风速夏季为12.32m·s-1、冬季为8.21m·s-1。
3 结论
本文通过CFD的风环境模拟技术，以青田县石溪乡为研究对象，模拟山区乡村的风场分布，并进一步分析了风场分布，得出如下结论：
（1）即使模拟区域的地形复杂、计算范围广，仍可通过分步计算控制法对大尺度模型进行CFD模拟分析，并给出合理的风场结构。
（2）在针对山区城镇规划布局时，应尽量在环境空间形态进行优化，避免在山体两侧背风面布局居住群，避免涡流区对人居环境的影响。不仅如此，在规划设计时应尽量减低区域建筑密度，网络化通风路径，形成顺应主导风向的公共空间廊道，以提高人居舒适度。
（3）在山区乡村规划设计中，人居活动区应尽量远离在山体附近，减小环境风回流区对人居安全带来的风险，进一步证明了山体对建筑表面风速分布的影响不容忽略。
（4）“风环境”可作为山区乡村规划的一个评价指标，提供一定的定量分析及参考依据，为提高“人居品质”提供规划设计思路。
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