熱力效應作用下小區風環境風洞試驗研究

楊 瑛，胡嘉懿，沈 煉，2，汪 闊，孫 昱，許赤士

(1. 長沙理工大學橋梁工程安全控制技術與裝備湖南省工程技術研究中心，湖南長沙 410076； 2. 長沙學院土木工程學院，湖南長沙 410012； 3. 湖南省建筑設計院集團股份有限公司，湖南長沙 410208)

0 引 言

城市風環境是評估小區人居舒適性的重要指標，近年來漸漸成為研究熱點，得到了廣泛關注[1-3]。隨著城市化進程不斷推進，熱島效應愈加明顯，由城市局部溫差引起的熱對流不容忽視，如夏季建筑表面溫度可高達50 ℃，而目前溫度對實際小區風環境的具體影響尚不明確，對其展開深入研究具有重要的現實意義。

溫度作用下風場研究的主要手段有數值模擬和風洞試驗，何仲陽等[4]采用k-ε湍流模型分析了地表溫差對流場的影響，發現在平坦地區，溫度對低風速流場影響較大；Cheng等[5]通過大渦模擬(LES)考察了大氣熱分層下城市街道峽谷的流動特征，揭示了大氣熱分層對街道峽谷流場的分布規律；Li等[6-8]通過LES研究了地面加熱對城市街道峽谷內的流場分布，發現地面加熱能加快街道峽谷內流量、湍流和污染物的擴散。通過上述研究發現，當前研究主要集中在街道峽谷和地形流場的機理分析，而對實際小區的針對性分析還非常缺乏。同時，數值模擬由于其計算參數的不確定性，往往需要風洞試驗對其進行驗證。Chaudhry等[9]利用風洞試驗和CFD數值模擬相結合的手段研究了漸近加熱對空氣非均勻流場的影響，發現逐漸升溫會使測試區的速度降低；Uehara等[10]利用風洞試驗研究了大氣熱分層對城市街道內流場影響，發現大氣熱分層超過某一特定值時街道峽谷內風速幾乎為0；Allegrini等[11-12]通過風洞試驗揭示了浮力對城市街道峽谷流場的分布規律，發現在低雷諾數時街道峽谷內速度增幅較大；Kovar-Panskus等[13]利用風洞試驗研究了迎風面受熱對街道峽谷內氣流擴散的影響，發現迎風面理查遜數Rb<1時慣性力是影響街道峽谷內空氣流動的主要因素；歐陽琰等[14]采用風洞對小區的流場和污染物擴散進行研究，發現污染物濃度受來流風速的影響；Hajra等[15-16]通過試驗發現下游建筑高度是影響污染物擴散的主要參數。與數值模擬一樣，當前考慮熱力效應下的流場風洞試驗研究主要集中在街道峽谷、大氣分層等領域，這些研究結論為熱力條件下的風場分析提供了寶貴試驗參數，但不足的是當前風洞試驗研究并沒有將熱力效應直接運用到實際小區的風環境模擬，特別是對不同熱力強度下實際小區流場相關性與舒適度影響的定量分析還未見其報道。

針對當前研究的不足，本文將借助大尺寸風洞，對實際小區在不同熱力條件下的平均風、雷諾應力、相關性與舒適度等指標進行深入分析，定量揭示熱力效應對流場的影響，相關研究結論可為城市規劃與小區建筑布局提供參考。

1 風洞試驗

1.1 大氣邊界層風洞

本試驗在長沙理工大學風工程與風環境研究中心進行，風洞如圖1所示，其試驗段尺寸為21 m(長)×10 m(寬)×3 m(高)，轉盤直徑為5.0 m，風速范圍為1.0～18.0 m·s-1，采用變角度葉片控制技術，保證了低速流場品質，同時配備了三維移側架，可在風洞內監測模型任意位置風速。

1.2 風速測量儀器

試驗過程中，人行高度位置處風速采用歐文探針測量，探針結構如圖2所示。探頭直徑為15 mm，在探頭中心開槽，槽中心穿插一根直徑1 mm中空鋼針(A端)，開槽處下端布置另一根直徑1 mm的中空鋼針(B端)。根據歐文探針原理可知，風速與A、B端的壓差呈正比關系，即

(1)

式中：pA、pB分別為探頭兩端的風壓；a、b為探頭的標定系數；u為A端的風速。

豎向風速測量采用澳大利亞TFI公司的Cobra探頭(眼鏡蛇風速儀)，該探頭能夠同時測量三向壓力或風速時程，采樣頻率為512 Hz，采樣時間為1 min。

1.3 加熱裝置

在風洞模型前鋪設電阻絲電熱板，模擬地面溫度，利用控溫數顯加熱開關設定目標溫度，其中，加熱開關可調范圍為0～60 ℃，測溫精度為±1 ℃，最大功率為180 W·m-2。

1.4 試驗模型與測點布置

建筑模型的設計與加工遵循相似準則，縮尺比為1∶200，如圖3(a)所示。試驗前將模型放置于風洞轉盤上，模型直徑為3.0 m，模型阻塞比約為2%，左右兩側均留有3 m空間，確保試驗過程中風洞壁面對流場的影響。試驗過程中布置了110個歐文探針，并在典型位置監測風剖面，監測位置如圖3(b)所示。

試驗時采用均勻風和B類地表風兩種入口來流條件，B類風場參照規范[17]模擬的風剖面和湍流度剖面，如圖4所示。試驗過程中模擬了8個風向角，間隔45°，風向角通過旋轉模型角度實現。

1.5 試驗工況

近地面流場會因為溫度分布不均勻產生浮力，而理查遜數可用來評估浮力對流場的影響。大氣湍流理論中，理查遜數Rb是湍流運動抵抗重力所做功與雷諾應力產生平均動能轉變成脈動動能的比值，理查遜數越大，表示浮力的影響越重要。假設高度h0處溫度與地面溫度差值為ΔT，高度h0處的風速為u0，g為重力加速度，T0為環境溫度，理查遜數Rb可表示為

(2)

為了有效地獲取地面加熱對流場的影響，利用理查遜數Rb表征熱力效應，采用不同Rb數對空風洞進行了詳細分析，通過眼鏡蛇風速儀測得風速發現，測量高度超過0.5 m以后，溫度對風速影響幾乎可以忽略，因此本文h0取0.5 m，環境溫度T0取20 ℃，均勻流u0為1.2 m·s-1。試驗過程中，利用歐文探針捕捉人行高度2 m位置的平均風速，并利用Cobra風速儀對典型位置風剖面進行了詳細監測，監測風剖面如圖5所示。試驗過程中，通過改變加熱板的溫度，得到了5種工況下的Rb數[18]，分別為0、-0.07、-0.17、-0.28和-0.38，采用3次溫度測量的平均值作為最終試驗值，以確保試驗精度。

2 熱力效應下空流場分布機理

為揭示溫度場對流場的影響規律，采用平均風進行風洞試驗研究。對上述5種不同工況進行試驗，獲取不同工況下測點的風速時程。同時，對不同Rb數作用下測點順風向速度分布以及雷諾剪切應力分布進行詳細分析，其結論如下所述。

2.1 平均風

2.2 雷諾剪切應力

3 熱力效應下的小區流場分布

3.1 整體風速分布

研究顯示，當雷諾數達到臨界值后，流場的分布不隨入口風速的變化而變化，即在對應某一風向下建筑物周圍流場是相對固定的，定義風速比MVR為

(3)

式中：ui為i號測點行人高度風速。

通過風洞試驗得到了在不同風向角下該小區人行高度風速分布，本文僅展示主導風向在Rb=0、Rb=-0.17和Rb=-0.38下的人行高度風速云圖，圖9和圖10分別為平均來流和B類入口來流作用下人行高度風速云圖。從圖9、10發現，兩種來流作用下的小區流場分布大致相同，均形成了很明顯的“峽谷效應”，主要原因是小區建筑物與山體之間間距很小，出現了局部強風，而在建筑物背風面出現大量低風速區。

為分析熱力效應對小區風環境的影響，對不同工況作用下風環境進行對比分析，如圖11所示，其中落在45°線兩側區域測點表示溫度對該測點的影響程度大，落在45°線上測點表示溫度影響程度較小。從圖11發現，在主導風下，風速比在0.6以下的測點受到Rb的影響程度相對較大，風速比在0.6以上溫度對風速的影響較小。引入均方根系數，對圖11中平均風速進行誤差分析，發現均方根系數分別為0.623和0.635，說明兩種溫度效應對人行高度風環境總體影響較小。

3.2 風剖面

3.3 雷諾應力剖面

3.4 相關性

速度的相關性能夠提供與湍流尺度有關的空間信息，并且兩點速度的空間相關性已經在既往研究中被廣泛討論[19-21]，對于空間任意一點與參考點的速度相關性可以表示為

(4)

式中：(xref，yref，zref)為參考點的空間坐標；〈·〉為時間平均的過程；σui為速度分量標準差；R(x,y,z)的取值范圍為[-1，1]，相關性系數的正負表示兩者相關的方向，相關性系數絕對值的大小表示兩者相關程度的強弱。

圖14為B類地表風下小區整體風速相關性系數云圖，以P1點為參考，通過分析發現人行高度相關性系數主要集中在0.2～0.6之間。人行高度相關性系數變化最大點出現在出風口位置，如圖14橢圓區域所示，相關性系數最大變化值為0.08。由此可知，溫差對人行高度合速度影響較小，可以忽略。值得注意的是，由溫差引起的豎直分量對近地面污染物擴散具有重要影響，但當前研究中，由于受測量精度的影響，需結合數值模擬對其展開進一步研究。

3.5 熱力效應對風環境舒適度影響分析

目前，對建筑風環境的評價方法主要是超越概率評估法[22]，采用超越閾值概率方法對小區風環境評估時，需要知道建筑周邊的流場分布和當地常年的風向風速的概率分布函數。采用Weibull雙參數分布確定各風向角下的風速，超越概率計算表達式為

(5)

式中：Pθi為θi風向風速超過風速閾值uTHR的超越概率；Aθi為發生頻率；Cθi為尺度參數；Kθi為形狀參數。

通過分析常年逐時風速風向統計資料，得到長沙市區8個風向角作用下的Weibull分布參數，如表1所示。表2為小區典型測點的超越概率值匯總表。

基于上述理論對小區測點進行了超越概率分析，得到各測點全風向下行人舒適度風速超越概率。在小區周圍建立了110個監測點[圖3(b)]，得到小區核心區域測點的行人高度風環境評估結果，如圖15所示。從圖15可以發現：隨著Rb升高，絕大部分測點超越概率適當增加，但其幅度非常小，最大值出現在14號點；隨著溫度的升高，其風速超越概率值增長3.87%。因此在實踐過程中，由溫度引起的單純風環境舒適度變化非常小，可以忽略其影響。

4 結語

(1)通過對不同熱力條件下空風洞流場進行分析發現，在-0.38

(2)實際建筑小區人行高度風環境受溫度影響整體較小，風速比在0.6以下時測點風速受熱力效應影響較大，但風速比在0.6以上時測點溫度對風速影響效果相對較小。

(3)熱力效應對人行高度風場的相關性與舒適度影響較小，其最大值分別為8%和3.87%，實踐過程中可忽略其影響。

(4)試驗過程中，由于風速相對較小，所采用的Croba探頭很難精確捕捉風場的展向和豎直方向分量信息，同時，人行高度風場分析過程中采用的歐文探頭也無法獲取風速的不同分量，使得文中結論僅揭示了熱力效應對合速度的影響。風場豎向分量對污染物擴散具有重要作用，在后續研究中，需通過數值模擬技術進一步詳細研究溫度對風場各分量(尤其是豎直分量)的影響。

表1 氣象觀測資料統計Table 1 Statistics of meteorological data

表2 小區典型測點的超越概率Table 2 Exceedance probability of typical monitoring points in community