裘國平 章俊屾 楊振文 孫易吟

摘要：我國的城市規(guī)劃設(shè)計中常會涉及到“環(huán)境品質(zhì)”“綠色通廊”“人居環(huán)境”等概念，這些都需要對風環(huán)境的研究及應(yīng)用。本文基于CFD（計算流體力學）技術(shù)，以浙江省麗水市青田縣石溪鄉(xiāng)為研究對象，圍繞近地表低空區(qū)域，模擬山區(qū)鄉(xiāng)村區(qū)域的風速場，并對其風環(huán)境特征的規(guī)劃設(shè)計展開相應(yīng)的深入研究。研究結(jié)果表明：即使模擬區(qū)域的地形復(fù)雜、計算范圍廣，仍可通過分步計算控制法對大尺度模型進行CFD模擬分析，并給出合理的風場結(jié)構(gòu)；不僅如此，在山區(qū)鄉(xiāng)村規(guī)劃設(shè)計中，人居活動區(qū)應(yīng)盡量遠離在山體附近，減小環(huán)境風回流區(qū)對人居安全帶來的風險，進一步證明了山體對建筑表面風速分布的影響不容忽略。最后，本文認為“風環(huán)境”可作為山區(qū)鄉(xiāng)村規(guī)劃的一個評價指標，提供一定的定量分析及參考依據(jù)，為提高人居環(huán)境品質(zhì)提供規(guī)劃設(shè)計思路。

關(guān)鍵詞：鄉(xiāng)村規(guī)劃；大尺度復(fù)雜地形；山區(qū)；風環(huán)境；石溪鄉(xiāng)；CFD

doi：10.3969/j.issn.1009-1483.2019.03.010？中圖分類號：P425

文章編號：1009-1483（2019）03-0063-08？文獻標識碼：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

在我國的城市規(guī)劃設(shè)計中常會涉及到“環(huán)境品質(zhì)”“綠色通廊”“人居環(huán)境”等概念，這些都需要對風環(huán)境的研究及應(yīng)用。在城市規(guī)劃設(shè)計與研究中，需要運用氣候?qū)W的相關(guān)知識，跟蹤觀測規(guī)劃區(qū)域的氣候特征，將氣候?qū)W的研究成果及數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)譯成城市規(guī)劃可用的設(shè)計語言[1]，并進行相應(yīng)的評估分析，以做到因地制宜[2-4]。而對于山區(qū)鄉(xiāng)村規(guī)劃當中，由于其地形地貌區(qū)域的特殊及復(fù)雜性，風環(huán)境的影響也成為了如今規(guī)劃設(shè)計中一個重要的參考指標。

通常針對一個山體而言，風環(huán)境的影響差距主要體現(xiàn)在迎風坡與背風坡。當環(huán)境風主導風向與山體一致時，由于空氣收到山脊截面的擠壓，壓力的增大導致風速加劇，因此在山脊處的風速達到峰值。反之，當山脊截面增大時，由于氣流壓力減小，風速隨之降低，即文氏效應(yīng)（見圖1a）。而當環(huán)境風主導風向與山體相反時，則在山體背風處形成渦流區(qū)，且坡度越大風向逆轉(zhuǎn)的區(qū)域約為明顯（見圖1b）。

應(yīng)當指出，由于鄉(xiāng)村下墊面地形的變化，山區(qū)鄉(xiāng)村風環(huán)境會變得更為復(fù)雜，尤其當流經(jīng)山體背風面狹窄街道內(nèi)部及鄉(xiāng)村建筑裙樓時，風向發(fā)生轉(zhuǎn)角，氣流受到擠壓，風速會驟升至來流平均風速的2～3倍，甚至更為嚴重[5]。因此，測量其中風速環(huán)境，對規(guī)劃設(shè)計作出指導，進一步提升山區(qū)鄉(xiāng)村規(guī)劃的品質(zhì)則變得愈發(fā)關(guān)鍵。

而現(xiàn)場實測是研究風環(huán)境最直接有效的方法，對建成建筑進行實地測試，收集風環(huán)境數(shù)據(jù)資料，對后期設(shè)計和研究工作具有重要的意義[6-7]。但現(xiàn)場測試往往是針對已建建筑進行，無法對規(guī)劃設(shè)計初期提供參考數(shù)據(jù)。且現(xiàn)場實測極易受外界因素限制，實際操作中需消耗大量人力物力。因此，現(xiàn)場實測并非最適宜的風環(huán)境研究手段。

風洞實驗是目前研究風環(huán)境運用最廣泛的手段之一，依據(jù)相似性原理，將待測對象制成比尺模型后放置在風洞通道內(nèi)，通過一系列人工控制方法使風洞內(nèi)的氣流達到模擬所需的流動狀態(tài)，以完成實際所需的試驗工況。但實驗?zāi)Ｐ椭谱髻M時費力，投資成本較高，風洞試驗周期長，且實驗的還原度較低，具有一定的局限性。

近年來，隨著計算機技術(shù)的不斷提高，計算流體力學（Computational Fluid Dynamic， CFD）技術(shù)越來越受到重視和廣泛應(yīng)用，并取得了不少成果[8]。相比于傳統(tǒng)方法，CFD是建立在Navier-Stoke方程近似解基礎(chǔ)上的計算技術(shù)，克服了風洞試驗周期長、精度差、投資成本高的缺點，直接在計算機上建立數(shù)值方程，采用離散求解的方法分析流體動形態(tài)，目前市面上常見的CFD模擬軟件主要有Fluent、CFX、Icepak、Mixsim等，而Flunet作為其中的佼佼者，含有豐富而準確的物理模型，迄今為止開發(fā)的Spalart-Allmaras模型、k-ω模型、k-ε模型、LES模型等能夠精確地模擬出層流、湍流、無黏流的流場形態(tài)，市場占有率達到了60%以上[9]。

因此，文章采用CFD技術(shù)，以石溪鄉(xiāng)為研究對象，圍繞近地表低空區(qū)域，模擬相鄰山谷間鄉(xiāng)村規(guī)劃區(qū)域的風速場，對山區(qū)小鄉(xiāng)村風環(huán)境特征的規(guī)劃設(shè)計展開相應(yīng)的研究。

1 CFD模擬概況

1.1 模擬對象概況

石溪鄉(xiāng)隸屬于浙江省麗水市青田縣，鄉(xiāng)域總面積29.6km2，人口約0.7萬人。全年溫和濕潤，四季分明，依山傍水，三面環(huán)山。地貌構(gòu)成中丘陵低山占比89.7%，區(qū)域地形復(fù)雜，切割強烈，千嶂萬壑，層巒疊翠，地勢由北向西南方向傾斜，全區(qū)海拔最低處位于村落內(nèi)，海拔僅為6m（見圖2）。

將2013年至2017年的氣象數(shù)據(jù)進行整理，發(fā)現(xiàn)5年內(nèi)青田縣平均氣溫19.26℃，平均風速1.88m·s-1，平均濕度72.68%，平均日照時長4.26 h。統(tǒng)計5年內(nèi)的風向頻率，ENE（東北偏東風）占比33.30%、NE（東北風）占比12.49%、E（東風）占比11.66%，將5年內(nèi)的溫度、風速、濕度、日照時間按四季進行分割，并對全年風向頻率進行統(tǒng)計，通過該區(qū)域風玫瑰可以看出青田縣5年內(nèi)67.96%的風向區(qū)域都集中在N～E的范圍內(nèi)，基本與石溪鄉(xiāng)鄉(xiāng)村區(qū)域地形保持一致，形成了一條狹長的通風廊道（見表1、圖3）。

1.2 計算流程與邊界條件

對于大尺度規(guī)劃區(qū)域風環(huán)境模擬，采用傳統(tǒng)的整體計算方式確保計算精度，由于軟件和設(shè)備限制，模型體量及復(fù)雜程度將導致無法導入計算，且網(wǎng)格數(shù)量龐大、計算時間過長等問題也將直接影響計算效果。因此為確保模擬結(jié)果的真實性及準確性，文章提出了適用于大尺度規(guī)劃區(qū)域風環(huán)境模擬分布計算控制流程（見圖4）。

首先運用CAD及Solidworks進行建模，建立青田縣石溪鄉(xiāng)山體地形幾何模型。在建模過程中，對研究對象中的山體及建筑模型進行簡化，山體高度按等高線進行繪制，最高海拔取220m，模擬計算區(qū)域長、寬、高分別為3000m、1800m和400m（見圖5a）。入口邊界條件采用自定義函數(shù)UDF（User Define Function）導入，由于地表摩擦的結(jié)果，使接近地表的風速隨著離地面高度的增加而增大，在離地面300～500m以上的地方，風速將不受地表的影響，能夠在氣壓的作用下自由流動，從而達到最大速度。平均風速沿高度的變化規(guī)律，常稱為平均風速梯度，出現(xiàn)這種速度的高度叫梯度風高度。在400m以下，風速按指數(shù)關(guān)系[10-11]變化：

其中，v為某一高度上的風速，v0為地面上方10m高度上測得的風速，即氣象局測試的風速。Z為高度，Z0為10m。α為地面粗糙系數(shù)，該值與地形地貌、建筑環(huán)境等因素有關(guān)，根據(jù)規(guī)范[12]取0.25。出口邊界相對壓力為0，底面為Wall壁面邊界條件，計算域共計2.11×107個單元，采用六面體網(wǎng)格劃分，單元網(wǎng)格質(zhì)量均勻良好（見圖5b）。

將計算模擬區(qū)域的建筑進行簡化，并進行分割，將每個分割區(qū)域進行獨立建模，分割區(qū)域時不僅需要考慮模擬的準確性，還要綜合評判軟件的計算承受力及魯棒性。因此，結(jié)合整個鄉(xiāng)村區(qū)域的區(qū)塊劃分，確保模擬結(jié)果的準確性，本次模擬選取兩個重點區(qū)域進行建模計算。City 1計算域長、寬、高分別為600m、300m、300m，City 2計算域長、寬、高分別為1000m、800m、300m（見圖6a、b）。入口湍流強度剖面采用UDF實現(xiàn)，函數(shù)型式采用Matlab對地貌斷面剖面進行擬合。出口邊界相對壓力為0，底面為Wall壁面邊界條件，建筑物外壁設(shè)為無滑移、不可穿透壁面邊界條件，City 1計算域共計0.48×107個單元，City 2計算域共計0.61×107個單元，采用六面體網(wǎng)格劃分，單元網(wǎng)格質(zhì)量均勻良好（見圖6c、d）。

1.3 控制方程及求解方法

在直角坐標系下建立環(huán)境風的模擬計算區(qū)域，假設(shè)室內(nèi)氣流為連續(xù)、穩(wěn)定、不可壓縮牛頓流體，采用有限體積法對控制方程進行離散，其中擴散項采用中心差分，對流項采用二階迎風格式。利用Gauss-Seidel迭代法求解離散后的代數(shù)方程組，首先通過SIMPLE算法得到流場壓力和速度。其中，所有的控制方程包括連續(xù)性方程、動量方程、k方程及ε方程如式（2）～（6）所示，簡化后公式如式（5）～（6）所示。

2.2 地形風場分析

將石溪鎮(zhèn)地形地貌進行風環(huán)境模擬，距離地面1.5m時平均風速1.81m·s-1，最大風速為3.81m·s-1。A、B區(qū)域主要為風場低速區(qū)，平均風速為1.63m·s-1 （見圖7a）。而氣流在進入山體區(qū)域時，由于氣流撞擊山體，導致風速逐步削弱，但當氣流進入C、D兩個區(qū)域后，風速明顯提高，平均風速達到1.99m·s-1，這是由于氣流在入口方向均勻流經(jīng)山谷區(qū)域時，氣流受到兩側(cè)山體的擠壓，風壓的增大造成流速的加快，因此在鄉(xiāng)村規(guī)劃區(qū)域主軸線形成了一個風場加劇風道。并且隨著空間高度的升高此現(xiàn)象尤為明顯，圖7b為距離地面10m的風速場分布。平均風速為3.12m·s-1，最大風速6.21m·s-1出現(xiàn)在C區(qū)域的中部，風環(huán)境低速、高速區(qū)域分布規(guī)律基本與1.5m處一致。

通過對春、夏、秋、冬四個季節(jié)的風速場進行比較，發(fā)現(xiàn)氣流組織形式與上文保持一致（見圖8）。其中，夏季風速梯度最高，平均風速為4.28m·s-1，其次為秋季，平均風速為3.75m·s-1，春季、冬季的平均風速分別為3.47m·s-1、3.55m·s-1。代入式（7）式（8）進行計算，得出春、夏、秋、冬四季的溫濕指數(shù)（THI）分別為18.03、27.76、19.95、9.78，感覺程度依次為舒適、熱、舒適、冷；春、夏、秋、冬四季的風效指數(shù)（K）分別為-355.37、-36.84、-311.90、-636.34，感覺程度依次為舒適、熱、舒適、涼?？梢娫摰匦蔚孛矖l件下，整體宜居度較高，人體感官適宜度較為舒適。

2.3 建筑區(qū)域風速場分析

對上文中City 1、City 2區(qū)域的剖面風速進行數(shù)據(jù)提取，采用Matlab進行函數(shù)擬合，風速場散點擬合剖面如圖9所示，擬合出的函數(shù)型式進行修正后見式（9）、式（10）。

由圖可以看出氣流組織在直接流經(jīng)建筑物時，City 1、City 2前排風速普遍較高，將建筑迎風面的數(shù)據(jù)進行提取，結(jié)果發(fā)現(xiàn)City 1平均風速為3.11m·s-1，最大風速為6.71m·s-1，City 2平均風速為6.15m·s-1，最大風速為10.35m·s-1?？梢娪捎谏絽^(qū)地形的特殊性，在鄉(xiāng)村規(guī)劃布局主軸線上形成了一條引導風道[15]，加劇了鄉(xiāng)村建筑的風速場。而由于第一排建筑物的遮擋，City 1城鎮(zhèn)中心區(qū)域的風速范圍為0.14～0.56m·s-1，且出現(xiàn)了渦流區(qū)域[16]，即流動滯止區(qū)，使得該區(qū)域的換氣效率降低，人體舒適度下降。同理，City 2亦是如此，中心區(qū)域的風速范圍為1.12～2.03m·s-1。應(yīng)當指出，通過City 2的風速場云圖，發(fā)現(xiàn)在City 2的左右兩側(cè)分別形成了一個強風速帶。因此，將夏季、冬季z方向的風速場進行進一步比較，得到如下風速場分布（見圖11）。

由圖可見，由于入口風速邊界條件的變化，在模擬區(qū)域兩側(cè)環(huán)境風的差異非常明顯，并且在風道末尾兩側(cè)出現(xiàn)了高風速，夏季風速場最高出現(xiàn)了20.71m·s-1，達到了大風等級，地面物理現(xiàn)象為折毀樹枝，存在一定的安全風險；冬季最大風速為15.35m·s-1，亦達到了疾風等級，結(jié)合濕熱指數(shù)及風效指數(shù)，人體感覺溫度為酷冷。不僅如此，在通道中間區(qū)域出現(xiàn)了負方向的速度，這是因為空氣流經(jīng)山體背風面時由于坡度逆轉(zhuǎn)，導致環(huán)境風回流進一步加劇了鄉(xiāng)村建筑區(qū)域的風場環(huán)境，末位建筑迎風區(qū)域的平均風速夏季為12.32m·s-1、冬季為8.21m·s-1。

3 結(jié)論

本文通過CFD的風環(huán)境模擬技術(shù)，以青田縣石溪鄉(xiāng)為研究對象，模擬山區(qū)鄉(xiāng)村的風場分布，并進一步分析了風場分布，得出如下結(jié)論：

（1）即使模擬區(qū)域的地形復(fù)雜、計算范圍廣，仍可通過分步計算控制法對大尺度模型進行CFD模擬分析，并給出合理的風場結(jié)構(gòu)。

（2）在針對山區(qū)城鎮(zhèn)規(guī)劃布局時，應(yīng)盡量在環(huán)境空間形態(tài)進行優(yōu)化，避免在山體兩側(cè)背風面布局居住群，避免渦流區(qū)對人居環(huán)境的影響。不僅如此，在規(guī)劃設(shè)計時應(yīng)盡量減低區(qū)域建筑密度，網(wǎng)絡(luò)化通風路徑，形成順應(yīng)主導風向的公共空間廊道，以提高人居舒適度。

（3）在山區(qū)鄉(xiāng)村規(guī)劃設(shè)計中，人居活動區(qū)應(yīng)盡量遠離在山體附近，減小環(huán)境風回流區(qū)對人居安全帶來的風險，進一步證明了山體對建筑表面風速分布的影響不容忽略。

（4）“風環(huán)境”可作為山區(qū)鄉(xiāng)村規(guī)劃的一個評價指標，提供一定的定量分析及參考依據(jù)，為提高“人居品質(zhì)”提供規(guī)劃設(shè)計思路。

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