城市规划CFD模拟.doc

城市规划CFD模拟设计的数字化研究【摘要】介绍了如何建立CFD模拟中城市数字模型。CFD模拟应用在城市规划与城市气候关系的研究中，准确、合理的CFD城市数字模型是进行研究的关键。将复杂的城市转化为可在CFD中进行仿真模拟的数字模型，需将城市中的建筑材料性质、水体的数字模型以及城市特征转化为CFD模型的数字参数，以及模拟的边界条件的建立等。还对该方法的结果进行了分析和总结。【关键词】CFD模拟，城市规划，数字模型，DIGITAL MODEL of CFD SIMULATION design for urban planningYU Zhuang, ZHANG HuiABSTRACT: This paper introduces how to set up CFD digital model of city. An accurate and reasonable CFD model is the key to study the relationships between urban planning and city climate. In order to transmit the complicated city into the CFD model used in the simulation, transforming the character of building material, digital model of water and characteristic of city to the parameters of CFD model and establishing boundary factor of simulation are necessary. Further more, the results of this method are analyzed and summarized.KEYWORDS:CFD, digital model, city, simulation1 引言城市化是社会经济发展的必然，城市化也必然带来了城市问题和环境问题，激化了人口、资源、环境的矛盾。这些矛盾唤起了人类对传统工业与工业城市的反思以及人类生态文明的觉醒，也增强了人类生态意识和对城市可持续发展的科学理解的逐渐深入。20世纪80年代初，原苏联生态学家亚尼茨基（Yanitsky，1984）和生态学家理查德雷吉斯特（Register，1987）等学者提出了创造生态城市的理想生态模式。在生态城市中，技术与自然充分的结合，人的创造力和生产力得到最大限度的发挥，居民的身心健康和环境质量得到最大的保护，物质、能量、信息高效利用，生态良性循环的一种理想的栖境。城市气候作为大区域大气候背景下形成的一种相对独立的小气候，它与城市的发展和人类活动密切相关。地域气象要素决定了传统城市形态的特点，良好的城市空间及宜居条件的设计有助于改善城市微气候，而良好的城市微气候有利于改善城市环境的热舒适性并有助于实现建筑及城市节能的目标。本文以夏热冬冷地区的武汉市为研究对象，通过建立武汉市城市数字模型，利用仿真模拟来研究城市与城市气候环境的关系，从而为更加合理的城市设计，改善城市热环境以及建筑及城市节能提供有效的参考依据。计算流体力学（Computational Fluid Dynamics，简称CFD）是流体力学的一门分支学科，始于本世纪三十年代初的计算机模拟技术，其集流体力学、数值计算方法以及计算机图形学于一体。它是一种用于分析流体流动性质的计算技术, 包括对各种类型的流体在各种速度范围内的复杂流动在计算机上进行数值模拟计算。运用CFD技术对一定空间中的气流建立流体的湍流模型，再根据提供的合理的边界条件和参数，可以对该空间内的流体流动形成的温度场、速度场和浓度场进行仿真模拟，并直观的显示其设计结果。使用者根据设计结果对其进行合理的分析研究，不断优化设计方案，寻找有规律性的知识，从而更好的指导工程设计。城市是一个复杂的物质实体，在城市之中，除了坐落了各种各样的建筑物之外，还存在着各种各样的自然地貌如山体、河流、湖泊、盆地等等。气象资料中的风速、温度、大气压、太阳辐射等参数，城市中的建筑密度、人口密度、植被以及地形特征对于城市的空间布局都会产生各自的影响。因此，将CFD仿真模拟应用在建筑及城市与城市气候关系的研究中，准确、合理的CFD城市数字模型是进行研究的关键。随着计算机技术的飞速发展和应用以及CFD的发展，将CFD技术应用于城市规划，来研究城市规划中的问题，如模拟气象条件的作用下太阳辐射的影响，以及风场的作用下，城市温度，风的压力，空气龄，无太阳直接照射时舒适度等参数的变化。那么，建立相应比例的CFD数字模型，即为CFD模拟的基础性工作。本文以夏热冬冷的武汉市为研究对象，进行CFD模拟仿真分析。通过科学的分析模拟结果，总结分析出实际情况下总体的城市布局与城市气候之间的关系，为城市的规划布局设计、城市空间组织和城市发展提供一定的参考依据。此次研究中，采用美国Fluent公司的软件Airpak对城市与气候的情况进行模拟仿真分析。 2 城市数字模型建立将复杂的城市转化为可在CFD中进行仿真模拟的数字模型，一方面，城市中不同地区的建筑密度、人口密度和绿化程度等相应的分布都会有很大的差别。在受到相同的城市气候条件影响时，其所表现出的温度、太阳辐射温度、舒适度、大气压等特征也会大相径庭。在研究气候环境对城市小气候的影响时，对城市的不同地块进行一定的区块划分成为一个十分必要的工作。另一方面，在CFD中建立城市数字模型进行分析研究时，由于城市中各种因素的多样性，建立数字模型其工作量也会非常大。通过对城市中不同地区的分析调查，将相似特征的地区作为一个整体进行分析研究，给研究城市大气候对城市以及城市中不同地区之间的相互影响提供了十分便利的手段。因此，根据城市的现有布局情况，以城市主要干道、山体、河流、湖泊等各种条件为界限，将城市分为不同的区域地块，建立CFD的城市数字模型。图1 分 级 图Fig.1 picture for classification在将城市以主要干道、山体、河流、湖泊等各种条件为界限，分为不同的区域地块（即为模型中的BLOCK），考虑到不同区域的建筑密度大小、容积率、人口毛密度、绿化程度等因素组成的数字模型在模拟仿真计算过程中可能表现出的不同特性，将整个研究区域内分为五个等级。在区域分级过程中，(1)根据不同区域内的实际情况，综合考虑区域内建筑密度、容积率、人口毛密度、绿化程度（包括无覆盖、非裸露土地，如菜地等）等因素的基础上，取各参数在本地块上的平均值（该值也根据具体情况作一些微调）；（2）主要以该区域的Block接受太阳辐射的程度、风的影响大小为标准；（3）级别由低到高划分过程中，其区域内的建筑密度由小到大，容积率由低到高，人口毛密度也由小到大，而其绿化率则由高逐渐过渡到低。以武汉市为例，根据以上区域分区、分级方法，将武汉市分为五个等级（见附表及分级图1）。从图中可知，级别逐渐升高，代表其区域内的建筑密度、容积率、人口毛密度、绿化程度逐级变化。比如在三级区域内，建筑密度在20%30%之间，容积率为1.01.5之间，人口毛密度为400600人公顷，在该区域内有相当面积的绿化，但总体绿化率一般。但在有些绿化程度高的区域内，如绿化程度高的高等学校用地（通过卫星遥感图观察），尽管人口密度大，从接受太阳辐射程度来考虑，仍可设置为低级别。模型中，每个block都要根据城市不同地区地面情况受太阳辐射和风的大小而产生的地区特征进行设置，对于城市中的较空旷地形，可作为广场考虑；城市中的河流和湖泊等水体，除了随着季节的变化有一定的温度外，还有一定的蒸发量，故根据其温度变化特征和蒸发的特征，将其作为一个向上散发气体的出风口，在模型中设置为opening属性。蒸发量的计算包括水面蒸发、土壤蒸发、植物散发以及流域总蒸发量的计算。在此次研究中，主要考虑水体的蒸发量。有关的各地实测资料也较充足，但由于实测的蒸发器的水热条件和天然水面不同，所以测出的蒸发量需要通过折算，才能转化为天然水面蒸发量。其折算关系为：E = E，式中为水面实际蒸发量，为蒸发器测定值；为折算系数。对于城市中的山体，可以将其考虑为一个竖向的不规则物体。采用上述转换方法，还需将城市中的不同下垫面性质以及城市特征转化为CFD模型的数字参数。对于城市中不同级别的区域，在确定模型高度和材质上，对于地块模型从整体上综合考虑其受太阳辐射和风的大小影响的程度，分别将建筑密度、容积率、人口毛密度、绿化程度的等，转化为各block的属性参数。如综合考虑一级、二级的低级别区域，由于其受太阳辐射和风影响相对小，block属性采用空心，材质为砖；对于三级、四级和五级地块模型，由于其受太阳辐射和风影响影响大，模型采用实体的水泥材质。在材质的具体物理特性上，如对太阳辐射的反射率，热的吸收等，再根据具体情况进行设置。图2 武 汉 市 模 型 图Fig.2 Wu Han model pictureCFD模拟时，首先创建一个城市大空间的zoom，确定zoom在CFD中的长、宽、高尺寸，一般要适当的大于整个城市模型。用于进行CFD的仿真环境模拟；其次，在几何模型相应的位置建立进风口和出风口，用于模拟城市在大气候环境下的季节风向；本次研究中，采用1：1000的模型进行研究。（如图2，武汉市模型图）3 模拟的初始条件设立在CFD中完成模型创建后，输入要进行模拟仿真的城市所在的经度、纬度，所要进行计算的月份、时间和与太阳辐射相关的入射角度、空气折射指数、太阳漫射强度等参数，作为模拟计算的初始条件；设置为混合层流模型来模拟大气的流动。模型地块为热辐射模型，因此对于不同级别的地块模型，根据不同区域的实际情况，设置不同的初始温度。以武汉市一级地块模型为例，在一级地块区域内，建筑密度小、容积率低、人口毛密度小、绿化程度好，其初始温度低，一般设置为28；如四级地块模型，其建筑密度大、容积率高、人口毛密度大，其初始温度高，一般设置为40。河流、湖泊模型，由于其温度受季节变化较大，在进行仿真模拟计算时，根据计算的季节不同，设置不同的初始温度。对于夏热冬冷地区的武汉来说，根据测量数值，将湖水温度设置为：夏季26，冬季为5等。在CFD模拟计算中，通过设置进风口和出风口的不同位置和参数，并附加其他有关参数，达到模拟城市不同季节的自然气候条件的目的。以武汉市为例，夏季3个月的日平均温度为32，风速为15km/h；冬季3个月日平均气温为0，风速为5km/h。以上数据是武汉市气象局提供的具体测量值，然后用计算机软件，对相关气候资料信息进行分析和转换后得到的。模拟时，再将具体的温度和风速值，如夏季中午12点至下午2点气象值（由该时段的风玫瑰确定），设置为进风口和出风口的初始参数，模拟城市数字模型在该时段中的受到的气候环境影响。4 计算结果分析图3 温 度 图Fig.3 temperature picture通过在CFD中的模拟计算，得出城市在受到一定气候影响中的温度、风速、大气压和太阳辐射情况，通过综合分析这些模拟计算结果，最终得出有科学依据的城市规划布局与城市气候之间的关系。以武汉市夏季白天为例，模拟城市在西南主导风向作用下的温度情况。通过模拟计算出的温度图（图3），可以明显看出，在夏季白天主导风向情况下，武汉市热区域分布构成以市区为主，面积大、分布集中的多中心城市热区域的主要特征。市区被长江、汉江分割形成三镇（汉口、汉阳、武昌）四片（汉口、汉阳、武昌、青山）的多中心结构。针对汉口主城区而言，大面积城区温度高，武昌和汉阳城区部分地区温度高，其它地区温度相对较低，明显形成了城市的“热岛效应”。从速度图和空气龄图（图4、图5）分析来看，风在城市周边地区速度较高，气流通过很快，由此说明夏季白天气流在城区周边的滞留时间较短；而通过主城区时，速度有明显下降，空气龄指数相对较大，说明滞留时间长。在部分城区由于其街道布局与风向一致，空气龄指数相对较小，通风顺畅，利于空气质量的改善。通过与相关数据6和武汉市城市热环境遥感图对比来看，这些模拟结果与实际情况基本吻合。通过检测和分析，汉口城区和武昌、汉口部分城区人口密度大，建筑密度高，城市下垫面性质改变大，受太阳热辐射的影响，空气流动性差使热量不易转移从而产生热岛效应等，明显是造成这种现象的主要原因。而在长江、汉江和城市湖泊周边地区，由于水体温度相对较低，对其周围的温度有相当的影响，对周边温度有一定的调节作用。5 结 论将CFD应用于城市数字模型中，通过流体力学计算来探讨城市规划布局与城市气候的关系问题是一种全新的思路。由于CFD的分析能够展示别的手段所不能揭示的系统的性质和现象，且一旦给定问题的参量，CFD能够快速的给出想要的结果，且模拟是一种经济的分析手段，能节省大量的人力物力。尽管CFD分析有许多约束条件的限制，我们求的是城市数字模型在计算机模拟风洞中的稳态后的情况，满足CFD的约束条件限制，当然，由于是采用的新方法研究，还有许多问题需要研究解决。 在此次研究中，通过数字城市模型在CFD中的模拟计算，使我们可以对与城市密切相关的风速、温度、辐射温度、大气压等一系列气候因素的进行更深一步的评定分析。一方面，对于城市的通风、热辐射、舒适度等问题可以进行细致的分析和评定，能够提出更好、更合理的解决办法。另一方面，应对城市不同的地域和气候特点制定相应的设计标准和城市设计导引，总结城市建设战略发展方向的结论，对城市市域和市区的空间、绿地布局等提出建议，给城市的规划管理部门提供参考意见。以利于加强对城市建设的指导，创造出更加和谐、舒适城市人居环境。 该项研究是武汉市总体规划修编中的专题研究项目，在此感谢武汉市总体规划修编中心的大力支持。图4 风速图Fig4 speed图5 空 气 龄 图Fig.5 Mean age of airs picture表：区域分级依据 Tab: area classification gist等级建筑密度容积率人口毛密度（人ha）绿化程度一级10%以下0.5以下200以下很好二级10%2