三维城区湍流特性和室外通风能力的研究

城区风环境的改善有利于居民身心健康和减少建筑暖通能耗。本项目将根据华南地区城市人口密度和土地利用率特点设计理想建筑群布局，并通过风洞实验和以大涡模拟(Large eddy simulation)为基础的计算流体(CFD)技术研究若干典型城区冠层(Urban canopy layer)的湍流特性和污染物扩散机理，得到精确可信的通风量等数据；然后运用以RANS湍流模型为基础的CFD技术结合室内通风概念，研究较多建筑布局和走向与城区冠层的通风量、换气次数、空气龄、通风效率、排污率等通风能力的定量关系，同时通过比较各建筑前后表面压力差研究室内自然通风潜力，并分析速度场研究行人区舒适性。本项目不仅能取得对若干典型城区湍流流动机理和通风能力的准确认知，有重要学术意义；还能多角度定量评价较多城区布局的室外风环境质量，为我国冬暖夏热地区可持续性城市规划提供有价值的参考。

除减少污染物排放等措施外，合理的建筑布局、改善城区通风和提高室内自然通风潜力是降低城市空气污染和热岛效应、减少夏季建筑空调能耗的重要手段，我国华南冬暖夏热地区如香港、广州等城市对此有更高的要求。我们在风洞实验数据验证下，以计算流体(CFD)数值模拟为主要手段进行了如下研究。根据广州城区和文献中世界典型城区建筑密度范围，设计了具有不同密度的理想城区模型。首先与瑞典皇家工学院Mats Sandberg教授合作在其风洞实验室中测量了典型城区湍流场和建筑阻力分布等。在少量大涡模拟数据的比较下，以雷诺时间平均RANS湍流模型为基础的计算流体CFD模拟为主，研究了更多建筑布局。其中运用通风量、换气次数、空气龄、通风效率、排污流率和排污贡献率等概念综合评估城区大小、建筑密度、建筑排列方式、建筑高低变化、建筑底部架空结构、来流风向、街道半开放遮蓬结构、城区通风廊道、定建筑表面热流率等对理想城区通风能效的定量影响，是本项目研究的重要特色。首次采用污染物浓度衰减法研究建筑布局对城区换气次数和空气龄的影响，是一个重要创新。其次,人们平均90%的时间是在室内度过的，建筑自然通风对室内空气质量非常重要，采用CFD数值模拟与三个通风指标相结合的方法，定量评估了三个主导风向下广州大学城中心湖医院260间病房的单侧和双侧自然通风能效。我们采用了单域法同时耦合计算室内、室外流场，运用surface-grid extrusion technique生成高质量的六面体网格。采用示踪气体均一释放法计算260间病房的空气龄和换气效率，是该研究的一个特色。最后，城市繁忙主干道的汽车尾气污染对两侧建筑及附近街区空气质量会产生不利影响。我们研究了二维街谷高宽比、不同壁面加热条件、有无高架桥和噪声挡板等对气态和颗粒污染物在街谷内扩散、向自然通风的建筑室内扩散等的影响机制。在该国家基金项目的资助下，项目负责人已在国际期刊<<Building and Environment>>发表SCI论文4篇，在Indoor Air 国际会议上发表会议论文3篇，另有5篇SCI论文正在审稿或准备投稿。