基于cfd模擬的城市水體與大氣熱濕交換分析

1城市水體熱氣候特性作為生態環境功能的重要組成部分，城市水體在解決城市熱氣候方面具有很大的優勢。例如，水體自身的熱容量高，蓄熱能力強。水體表面平整，有利于形成“風之路”。但需要指出的是,由于一直以來過多地強調其經濟功能,將河道人為硬化和渠化,大量采用混凝土或磚石材料加固岸堤和防洪墻將河道和灘地分開,阻隔了水體和城市內部的水汽熱量交換;同時,在城市建設中,迫于人口壓力及經濟發展的需要,不得不通過擠占河道的方式獲取更多的土地,如上海近20年的河道面積就減少了25%,使得城市水面被人為侵占或縮窄。另外由于水體兩側通常會布置擁擠的建筑群,使城市水體的熱氣候調節功能出現了弱化甚至衰退。因此,深入研究城市水體對城市熱氣候的影響,可為更好地發揮城市水體的生態功能潛力提供新的思路,對合理利用開發城市水體資源、維持城市生態系統的可持續發展具有重要的意義。由于城市熱濕氣候研究面臨空間尺度大、影響因素眾多且相互關系復雜等問題,以CFD為代表的數值模擬技術已成為了研究城市熱濕氣候的重要方法之一。但到目前為止,絕大多數研究都是針對單純的城市建筑群落,研究不同建筑密度、容積率和太陽輻射等情況下的風環境及局地熱氣候狀況,而針對水體的CFD模擬研究主要局限在水體流動特性和水體內部的溫度分布等方面,很少涉及城市水體與城市局地熱氣候之間的關系。綜上,本文以某國際商務城規劃項目為研究對象,建立了包括城市水體及周邊復雜建筑群落在內的CFD三維模型,通過CFD模擬對城市水體周邊行人高度層的風場、濕度場和溫度場分布進行分析和評價。2全球計算模型的總結2.1建筑模型及網格本文以某實際國際商務城作為算例。該區域面積約為3km2,包含200多個建筑體。整個區域被流經中部的小河分割為南北2個部分,建筑群整體布局較規整。北側以高層商業金融等公共建筑為主,最大建筑高度為250m,南側為商辦混合用地,建筑高度相對較低。水體本身面積約為0.28km2。建模過程中對該區域建筑形狀進行了必要的簡化和調整。模擬計算選用CFD商用模擬軟件Fluent6.3,在曙光單機多核服務器A650-G上進行穩態模擬計算。采用標準k-ε湍流模型及非結構化網格配置,總網格數約為235萬(見圖1),計算域的大小為4355m×4560m×1000m,速度和連續性計算精度為10-3,水蒸氣質量分數、溫度及k和ε的計算精度均為10-6。壓力和速度耦合采用SIMPLIC算法,收斂計算采用二階迎風差分格式。2.2夏季主導風向和平均風速1)流入流出邊界條件本模擬采用速度入口邊界條件。根據當地夏季氣象參數,夏季主導風向為SW,平均風速為2.8m/s。入口速度采用指數分布模型,高度為z處的風速值計算具體如下:3結果與分析3.1主導風向風速較小,但風速分布較小圖2為1.5m高度處計算區域風速云圖及風速矢量圖,來流風向為SW?？梢钥闯?計算域內風速基本在3m/s以內,其中河道上方由于相對空曠平展,主導風向下風速較小,基本在1m/s以內。進入下風向建筑群落后由于存在巷道效應,風速相對較大,局部風速達到5m/s。圖3為對應圖2的風速云圖及風速矢量的剖面圖,縱剖面位置如圖2中深色實線所示。圖3中深色粗線圈出的區域代表河道范圍?？梢钥闯?由于水體水面溫度相對空氣溫度較低,水體上方形成了較穩定的空氣層,到達一定高度后在主導風向來流的推動下向下游流動,遇到河流北側高大障礙物后形成大的循環流動,阻礙了水體上方濕冷空氣的進一步擴散。3.2河道周邊區域的蒸氣質量分數分布圖4和圖5分別為1.5m高度處計算區域相對濕度及水蒸氣質量分數云圖及其剖面圖。由圖4可以看出,水體上方空氣相對濕度最大,在主導風向的影響下,水蒸氣沿著主導風向擴散,因此處于下風向的建筑群相對其它建筑街區含濕量偏高,相對濕度約為55%,而遠離水體的上風向城市街區空氣相對濕度變化較小。由于太陽輻射作用造成空氣溫度上升,部分地區相對濕度降至40%,低于來流方向的相對濕度。從河道周邊區域水蒸氣質量分數分布可以看出,河道較窄區域的水蒸氣質量分數約為0.018,比來流入口處高0.0055;而河道較寬區域上方的水蒸氣質量分數較高,約為0.0215,比來流入口處高0.009。分析其原因,一方面當水面較為寬闊時,上風向較為干燥的空氣在河道上空沿流動方向被加濕后,對其下游方向的濕空氣不能起到稀釋的作用。另一方面,如前文所述,河道上空風速偏低,導致水蒸氣聚集在水體上方而無法擴散。從擴散范圍來看,總體上河道越寬,下風向建筑群內水蒸氣擴散范圍越大,即使是針對北側的高密度建筑群,其影響范圍也可達到距河道250m左右。從圖5的剖面圖可以看出,在垂直高度上,水面蒸發的水分擴散高度可達到120m;在水平方向上,由于高層建筑的阻擋,阻礙了水蒸氣進一步深入到下風向建筑群內。水體附近的建筑高度、間距和河道寬度對水分擴散的影響較大。3.3建筑外墻和地面對太陽輻射的影響圖6和圖7分別為計算區域的溫度分布平面圖和剖面圖。由圖6可以看出,由于中午時分太陽高度角較高,太陽輻射流較大,暴露在太陽直射下的建筑屋面和地面受太陽輻射影響較大。由于本文模擬中未考慮植林和草地等下墊面的分布,地面溫度較高,約為55℃左右,而在水體及其周邊區域,由于水體對太陽輻射的吸收和反射作用以及水體自身溫度的影響,溫度較低,根據河道寬度的不同而不同,約為26~30℃。同時,在有建筑遮擋的陰影區域,由于太陽直射輻射在一定程度上被遮擋,太陽輻射對溫度的影響較小,具體根據遮擋程度的不同而不同,約為30~40℃。從圖7可以看出,由于建筑外墻和地面對太陽輻射具有吸收和反射作用,外墻附近空氣層溫度普遍較高。而水體附近由于其熱容性較大,溫度較低,可與上方空氣進行熱交換以降低水體上方的空氣溫度。但是由于水面寬闊且上方風速較低,水體對高溫空氣的緩解作用僅僅停留在水面上方,對水體周邊區域的空氣溫度影響較小。4問題和數學模型的研究通過本文的CFD三維數值模擬計算,可得如下結論:1)由于水體上方相對空曠平展且水面溫度相對較低,造成水體上方氣流層較穩定且風速較低。2)水體上方水蒸氣質量分數與水體沿來流方向的水體寬度密切相關。河道越寬,下風向建筑群內水蒸氣擴散范圍越大,本文實例中主要影響范圍約距河道300m。另外,下風向沿水體建筑高度、間距等的變化對水蒸氣擴散的影響很大。3)由于本文模擬中未考慮植林和草地等下墊面的分布,地面溫度較高,約為55℃左右。水體及其周邊區域由于水體對太陽輻射的吸收和反射作用以及水體自身溫度的影響,溫度較低,根據河道寬度的不同而不同,約為26~30℃。但是由于水面寬闊且上方風速較低,水體對高溫空氣的緩解作用僅僅停留在水面上方,對水體周邊區域的空氣溫度影響較小。由于實際城市建筑和水體布局相對復雜,有必要針對不同水體尺寸和周邊建筑布局對城市熱濕氣候的變化進行更細致的研究,這是今后研究工作的重點。式中,u(z1)為基準高度z1處(取氣象測量高度為10m)的風速;α為依賴于地面粗糙度和大氣穩定度的參數,根據規劃區內建筑高度和建筑密集程度,本文取為0.28。其次,來流入口湍動動能k和湍動耗散率ε分布分別用式(2)和(3)計算:式中,z為高度;Cμ為常數,取值為0.09;κ為卡門常數,取值為0.4;其余參數含義同前。另外,根據現場實測數據,來流入口溫度設定為29.06℃,相對濕度為49.7%(水蒸氣質量分數為0.0125);水體上方初始空氣溫度為28.57℃,水面溫度設為定值26.56℃,相對應的飽和水蒸汽質量分數為0.02165。2)水分蒸發設定條件采用式(4)估算水體與大氣之間的水分傳輸:式中,ρa為空氣密度,kg/m3;Ct為經驗系數;u為風速,kg/s;qs為對應水面溫度的飽和含濕量,kg/kg干空氣;qa為對應空氣溫度的含濕量,kg/kg干空氣;其余參數含義同前。根據水體的不同形態和走向分布,選擇不同的經驗系數和計算參數,本文中經驗系數Ct設定為0.00145。水分傳遞采用Fluent軟件中的組分輸運模塊,通過編譯自定義模塊UDF實現式(4)所示的水分傳輸。3)太陽輻射計算條件的設定本文算例中采用Fluent軟件自帶的太陽加載模型,采用射線跟蹤法預測入射太陽輻射所引起的直接照射熱流。該算法將大陽輻射處理成具有太陽位置向量和照射參數的一條射線,并將其用于用戶指定的壁面、入口和出口邊界上,通過進行面與面之間的遮蔽分析來確定在所有邊界面元和內部壁面上被遮擋的部分,計算入射太陽輻射在邊界面元所產生的熱流。其中,給定時間、日期和位置的太陽光束方向和輻照度可利用Fluent軟件提供的太陽計算器來計算,計算得到的參數作為太陽射線跟蹤算法的輸入條件。根據地表和建筑外表面不同的輻射特性設置不同的反射率和吸收率。本文模擬中建筑群外表面發射率為0.9、建筑物和地面對可見光的吸收率設定為0.2、對紅外線的吸收