第二章 城市冠层内部建筑群风场的模拟

1、第二章 城市冠层内部建筑群风场的模拟2.1 城市化对城市冠层内部风场的影响现代社会，城市化所引起的局部大气边界层的改变，会对低层气流和湍流产生显著的影响。特殊的城市下垫面，具有较大的粗糙度，可以引起较强的机械湍流，改变局地的风场结构，对居民日常生活造成影响。城市冠层内的流场结构与湍流分布受人类活动影响最大，跟人类日常生活关系也最为密切。如今，随着城市区域的发展和日益扩大，建筑群的增多、加密、增高，导致城市下垫面粗糙度的增大，使得城区的近地面平均风速减小1083。另一方面，城市化的进步带来高度的物质文明，提高了居民的生活水平，而生活水平的提高，也使得人们对居住环境的要求也越来越高。如今，在进行城

2、市规划的时候，人们都需要考虑到绿地的覆盖率、建筑物的几何形状及其高度、建筑材料的选取以及周边环境气象要素的分布等复杂的问题84，而风场所造成的舒适度问题，也是一个需要考虑的重要因素。 城市下垫面对风场的影响主要体现在城区风速变小、盛行风向的改变以及热岛环流等几个方面。建筑群的增多和密集，会导致粗糙度的增加，其动力阻碍效应消耗了空气水平运动的动能，因此城区的平均风速相对郊区较小。但是，在城市冠层内部，流场的局地差异非常大，有些地方会成为“风影区”，风速极小；相反，在特殊情况下，局地风速则会远远大于同时间同高度的郊区，这些都要归咎于城市内部复杂的结构，主要的影响因素有：A ，大量形状各异的街谷的存

3、在。街谷是城市下垫面特有的建筑群形式，其特殊的几何与下垫面的热力性质，对城市的区地气候会产生很大的影响：首先，街谷的走向、宽度及高度和朝向都不尽相同，因此会造成太阳辐射收支的局地差异，产生热力差异，在适当的条件下，如盛行风微弱或者静风的时候，上述所说的热力之间的差异，就会导致局地的热力环流的出现，从而使城市内部产生不同的风向和风速；其次，街谷的几何外表特征，即建筑物之间的位置布局，在很大程度上影响了街谷内的流场；另外，盛行风的风速、风向以及大气层结状况等也是重要的因素，如果来流的风向和街谷走向大致相同，由于狭管效应，街谷内就会出现局部的强风区，反之，当来流风垂直于街谷轴线时，街谷内的流场与其几

4、何特征以及上游来流风之间的关系就变得非常复杂85，一般会在街谷内部形成涡旋，而涡旋的特征，则通常由比例系数H/D来决定，即建筑物的高度H和街谷的宽度D的比值；B ，当盛行风吹过城市中参差不齐的建筑群的时候，其动力阻碍效应会在建筑物附近产生复杂的升降气流、涡动和绕流等现象，从而使得风场的局地变化更为复杂；C ，交通工具在街道中行驶所产生的气流与热量，也会影响到街区的流场。风是城市建筑物设计以及城市规划中需要慎重考虑的气象因素之一。城区高层建筑的修建，一方面需要建筑技术与材料的保障，同时也应有足够的抗风强度，因而必须认真慎重地考虑风对结构体的动态载重效应以及建筑物外墙的风压分布情况。建筑物在外界强

5、风的作用下，可能导致的摆动等结构安全性问题，是建筑物风工程研究的重要课题之一30,86。同时，与建筑物周围的风场相应的环境问题，随着科技的进步和人们生活水平的提高，也开始逐渐得到重视42,87。建筑物周围的流场结构和流速的分布受到诸多因素的影响，包括逼近风的特性、风向、风速、建筑物本身的几何形状以及邻近的建筑群的影响等70,88。由于钝体绕流的阻塞作用而导致的下冲、涡旋、角隅流以及尾流、穿堂风等效应，建筑物结构体附近的气流就变得相当的错综复杂。而在高层建筑物附近，由于上述的诸多因素的存在，则可能会产生过高的局地风速而对行人活动造成不舒适及安全隐患，严重的时候，还有可能发生行人被强风刮倒致伤的意

6、外89。另外一方面，因为楼群的阻塞作用，建筑群内部有时候会出现空气滞流的现象，从而导致通风不良，散热缓慢、空气混浊等环境问题67,90。由于经济的高速发展再加以人稠地少，城市建筑有愈盖愈高、愈密的趋势，上述问题近年来在国内也愈来愈得到重视。大城市的商业区在一些大楼底层设置有购物、商场、餐厅、儿童游玩乃至户外展示空间，在空间的安排上也经常采用花园、植栽及水池、喷泉等设计的开放空间，同时基于日照、景观等因素也考虑到拉大建筑物间之距离，设置开放空间来提高居住、生活品质。但是这些安排往往存在着因为邻近高楼改变了风向、如果局地风势较强，而使行人经常暴露在强风之下，则失去了它原先设计的美意，甚至有可能会影

7、响到它的商业业绩。通常情况下，在建筑物或结构体周围，人们往往需要一个开放空间或行人步行区域，尤其在商业区和生活小区的规划方案中。因为不良的建后评价有损于建设项目的完美和成功，设计师们都希望可以为客户提供舒适、安全的生活环境。如今，大部分先进国家都纷纷立法要求对建筑物或结构体周围的风场作环境影响评价，即在项目兴建前的概念、规划与设计阶段，要事先预估建筑物四周以及建筑群之间的风场结构，对建后可能导致的环境问题作出科学的评价91,92。建筑物风环境的研究方法一般包括现场观测、物理模拟试验如风洞、水槽和水洞实验等以及数值模拟计算93-96。将计算流体力学当中的钝体绕流的方法应用到对城市边界层内建筑结构

8、周围流场的模拟，在最近十几年中取得了很大的进展97,98。尽管近年来随着科技水平的发展，卫星以及飞机等高分辨率的仪器已经开始被应用到建筑群或城市街谷的测量中，但是在交通流量很大的街道上进行三维空间的详尽的流场观测仍然存在很大的难度。尤其对于正在拟建的项目而言，进行事先的观测是不可能实现的，比较可行的方案就是对规划区域的模型进行一些合理的物理实验，如风洞，水槽试验等。因而将物理模拟试验与数值模拟相结合，对结果进行相互对比分析，从而对拟建的项目风环境进行评价是比较理想而且切实可行的研究手段之一。2.2 物理模拟试验2.2.1 边界层特性地表附近空气的运动受到地面起伏、建筑物、林木作物分布等摩擦作用

9、的影响，使得平均风速随高度而变化，形成一个垂直分布剖面，越接近地表风速越慢（参见图2-1）；换而言之，此“风速剖面”直接受到地表粗糙状况的影响，而影响所及的范围则被称之为“大气边界层”。在边界层顶部的风速通常称为梯度风速（gradient wind）。图2-1 不同地况下平均风速随高度的变化示意图一般风工程所涉及的问题大都发生在较强的来流风速下，且在近地表上数百米高度的大气边界层范围之内。在强风的情况下，大气机械湍流作用远超过热对流作用，城市大气边界层，由于湍流的强制混合而趋向于形成中性层结，所以本节对大气边界层的讨论仅限于中性层结的大气边界层。大气边界层厚度，在中性层结的情况下，视风的强度、

10、地表粗糙程度及所在纬度而定，通常在数百公尺至数公里之间。风洞模拟实验，很重要的一项工作是模拟边界层高度内湍流流场的各项重要性质，其中包括平均风速特性及湍流特性。 风速随高度变化的规律，一般称为风速廓线。常用的边界层风速剖面有两个定律，一为指数律（power law），另一则为对数律（logarithmic law）：（1） 指数律（power law）传统上，在水平分布均匀下垫面上所形成的平均风速剖面，可用指数律表示： (2-1)式中U：水平平均风速；Z：地表上的高度；U：梯度风速；：大气边界层厚度，在城市下垫面情况下，大小为400500m；：幂指数，在现行工程应用中一般都有如下假设：A ，一

11、个为定值的指数律可适用至梯度风高度；B ，边界层厚度只是指数的函数。在城市下垫面情况下，由于受到大气稳定度的影响，的取值在0.10.6之间99,100。（2） 对数律（logarithmic law）越接近地表的地方，其风速的扰动性越大，解析描述也就越加困难。在地表0层（或称之为常应力层0<Z<Zl，Zl0.1）其剪应力值u与地表面之剪应力值0极为接近，且其横向之风速分量V极小。对边界层横风向的平均风速方程积分至高度Zl,再加以整理可得（2-2）式中：摩擦速度=（0/）0.5；f：科氏力参数；：空气密度；b：常数，其值约在0.015至0.03之间。微气象学研究的一些结果显示，在地表

12、层其平均风速剖面可以下式表示： （2-3）式中k(0.4)为von Karman常数；Z0为地表粗糙长度（roughness length）；d为零值位移，通常大小为地表粗糙度的2/33/4。式（2-3）即为通常所称之对数律。外场量测结果指出，在强风的情况下，对数律的适用范围可达数百米的高度。2.2.2 物理模拟试验的相似律在进行物理模拟时的几何、动力及热力的一般相似要求可以从检视分析方法中直接得到。将边界层流的基本质量、动量及能量守恒方程无因次化，即可得到下列诸式： （2-4） （2-5） （2-6）式中：xi：i方向坐标；t：时间；：质量密度；Ui：i方向的局部平均速度；i：i方向地转角速

13、度分量；L：长度尺度；P：局部静压力；T：局部瞬间温度；T：温度差（与干绝热递减率之差）；g：重力加速度；v：运动黏性系数；k：热传导系数；Cp：定压比热；：局部扰动位温；:扰动速度的i方向分量；：能量消散函数；（）0参考量；（）*：无因次纯量。欲以风洞边界层模拟实际大气边界层，其中一组的相似要求应为上述中的无因次参数（括号中的量）相等。这些要求可概述如下：（一）几何相似律几何相似是使模型与原型各方向特征长度缩尺比例（）一致。特性长度包括有模拟原型的尺度L，边界层的厚度，湍流的纵向积分尺度Lu等，几何相似可表示为： （2-7）式中（）m代表模型；（）p代表原型。（二）动力相似律动力相似，是物理

14、模拟中最重要的原则，一般有如下几个：（1）罗斯培数（Rossby number,R0=U0/L00）相等。R0为流体中惯性力与科氏力（Coriolis force）之比。（2）弗罗德数（Froud number, Fr=）相等。Fr代表流体中惯性力与重力之比。（3）雷诺数（Reynolds number, Re=U0L0/v0）相等。Re代表流体中惯性力与黏性力之比。（4）普朗特数（Prandtl number, Pr=o/ (ko/0Cpo)）相等。Pr为流体中黏滞性扩散力与热扩散力之比。（5）埃克特数（Eckert number, Ec=/Cpo(T)o）相等。Ec为流体中惯性力与热扩散力

15、之比。（三）边界条件及逼近流特性相似除了上述几何、动力与热力的相似要求外，还应包括有地表边界条件及湍流特性相似：（1）地表边界条件相似包括：（a）地表粗糙物分布（包含地表气动粗糙性质） (b) 地形起伏 (c) 表面温度分布（2）边界层湍流特性相似包括： (a)平均及湍流扰动流速分布相似 (b)湍流频谱相似 (c)平均及脉动温度分布 (d)顺风向的压力梯度为零 (e)温度层结相似如果上述诸项相似要求能够同时都得到满足，则从微尺度至中尺度（10-3105m）的气流运动，在一组特定边界条件下，都可以被准确地模拟。但是，以当今世上的实验室设备而言，上述所有相似律的要求无法能同时都得到满足。因而人们只

16、能针对风工程的某种特定需要，选择性地采用部分或近似性的一些模拟。由于强风所产生的机械混合作用能破坏大气中的层结现象，而且风场环境的探讨，一般侧重在风力较强情况下。因此，在利用边界层风洞进行物理模拟实验时，上述与温度有关的相似要求如Fr、Pr、Ec等，可以合理地加以忽略。由于罗斯培数代表科氏力对大气运动的影响程度，在风洞实验中对科氏力模拟有极大的困难，换言之无法达到原型与模型间罗斯培数相等的要求。但是在模拟边界层气流运动时，如果所考虑的尺度不大，地球自转对流场所产生的影响可谓极小。一般来说，在水平距离小于十公里，垂直距离不超过一公里情况下，此项效应可以忽略。通常在建筑工程的应用中，风洞实验的对象

17、鲜有超过500米的，因此风向随高度的变化可不予以模拟。在低速边界层风洞实验中，由于风洞极速的限制及因高速可导致的空气可压缩性的考虑，无法达到Re=107108的原型状况。但一般认为当雷诺数（大气边界层）超过105此一临界值，钝体气动力实验的雷诺数超过104时，流场的特性已不受雷诺数大小的影响。风力工程实验（包括大部分风洞实验），其雷诺数均要求在105106之间，可满足实验要求。再者，依Kolmogrov相似理论，当雷诺数够大时，湍流频谱具有惯性子区的特征，使湍流无因次频谱呈相似性，在双对数轴上绘出时具-5/3斜率的特性。因此实验中所量测得的来流风速频谱具有这个重要特征，表示流场能量传递机制符合

18、现场状况。2.2.3大气边界层的物理（风洞）模拟大气边界层的物理模拟，通常是使用大型边界层风洞在其长试验段上进行的。原则上是要在最短吹程内建立最厚的边界层，并要求边界层在试验段内达到平衡状态。常用的方法是在风洞底板上辅以粗糙元(roughness element)，让边界层自然发展形成，这种方法通常都能得到最佳模拟效果。但是，以西安大略大学（University of Western Ontario）的25m长试验段的风洞为例，铺以2.510cm的方块粗糙元（模拟城市地表状况），所得边界层厚度约为90cm；铺以地毯（模拟乡村地表状况），则仅约38cm。相应模型比例分别为1/400及1/1000

19、。所以，一般吹程较短的风洞，都有必要在试验段进口处设置：（1）主动设施，如directional jets或counter jets或（2）被动设施，如阻流板、网格板、角形涡流发生器等来辅助厚边界层的形成。对这些被动设施及配套的粗糙元的选择、大小尺寸的决定大都凭经验、以试误法来得到。就现今的知识及技术能力而言，要在风洞内产生可接受的模拟大气边界层，最可行的方法是采用锥形扰流板（spires）与粗糙元搭配方法（可参见图2-2）。这种方法，一般能得到令人较为满意的平均风速剖面及湍流特性。图2-2 风洞内产生模拟大气边界层的扰流板与粗糙元北京大学环境学院大气环境模拟国家重点实验室风洞，为直流、吸式，

20、如图2-3，所示。风洞实验段长32.0m,其断面宽3.0m、高2.0m，流速范围为1.0m/s至21m/s。风洞进口段的收缩比为4:1，进口段设有蜂窝器及两层24目阻尼网(damping screen)。在风洞实验段距进口25.8m处设有直径2.0m的转盘（turn table），可自由转动。转盘的一侧设有观测室，可透过大型的加强落地窗户对实验进行观测记录（图2-4）。2.3 数值模式(PUMA)北京大学开发的“北京大学大气环境模式”（PUMA，Peking University Model of Atmospheric Environment）能够对中尺度、小尺度和微尺度的大气环境进行模拟，并在多项研究课题中得到应用。数值计算采用北京大学大气环境模式中的城市气候模式，目前暂不考虑热力作用。图2-3， 北京大学环境模拟国家重点实验室环境风洞剖面图图2-4， 北