咸阳市城区风环境数值建模及分析

摘要

城市良好的通风环境可以有效地减轻城市雾霾和热岛效应。近些年来，由于社会经济的快速发展以及城市用地的短缺，密集的高层建筑群逐渐成为城市的主要特征，由此产生的城市空气环境问题引起社会的高度关注。
　　本课题是由咸阳市规划设计研究院提出来的。在城市建设规划中，将城市通风环境作为方案制定的重要内容。通过对城市现状和初步规划的城市通风环境的数值仿真，全面清晰地了解城市通风的现状和规划条件下可能达到的水平，为城市规划提供帮助。针对此情况，对单独建筑或小尺度区域的通风的研究已经不能反映城市通风环境的整体情况，需要建立城市大尺度的模型对城市进行整体风环境的研究。
　　该研究任务所面临的需要重点解决的问题是：在城市现状建筑信息不完整的条件下，建立城市全貌的几何模型、建立原尺寸且基本保持原貌的大尺度城市风场的数值计算模型。由于目前国内外基本没有做到这么大尺度的风场仿真的，因此这是本课题的创新点。
　　本文围绕咸阳市的城市通风问题，建立了城市大尺度的风场数值计算模型，对该城市现状和城市规划方案的城市风环境进行了数值仿真，在此基础上对城市风场的速度分布、压力分布和温度分布的特性进行了研究。
　　本文首先借助Google earth卫星地图和实地考察，按照一定的整合原则，建立了咸阳城区现状的全尺寸几何模型。依据城市通风的基本流场特性，选择了RNGκ–ε紊流计算模型，建立了大尺度的风场数值计算模型，其中确定了大气边界层速度入口边界、应用岩土热响应试验方法确定了地下20m恒温层边界以及岩土热物性参数等。
　　应用所建立的数值计算模型，针对咸阳市城市现状，进行城市风场的计算分析。主要内容包括：对速度矢量场从水平方向和竖直方向分别进行了分析；对城市各区风场风速的大小进行了对比分析；对城市风场的压力分布、温度分布规律以及各区的通风率进行了分析。
　　研究表明：
　　a、在2.4m/s风速下，冷、热工况（建筑夏天散热为热工况）的城市通风均受控于主导风向自然风，且热工况的全区平均流速要略大于冷工况的，相对差值为8.97％。0.5m/s风速下，冷、热工况的城市密集区风速很小，看不到主导风向的气流，在城市上层有明显的向上的气流，且城市周边均有进风；对于热工况，各区水平进来的气流远大于水平流出的气流。且热工况的全区平均流速要远大于冷工况的， 相对差值为34.33％。这说明小风速时，热压对风场的影响相对要大些。
　　b、建筑尾流的影响距离很长，在90m高处，仍然有前后尾流的叠加，即上风侧的建筑绕流会影响到下风侧建筑。
　　c、当自然风进入城市时，城市入口与来流方向一致的道路对城市通风有着决定性的作用。咸阳市城市通风的主要干道是东西偏南方向的道路。
　　d、各工况的通风流率比较：对于2.4m/s风速的冷、热工况，相同的区域两个工况的通风率很接近，单位面积流率值的城区总体平均值相对差值为7.9％。对于0.5m/s风速的冷、热工况，很明显冷工况的通风率远小于热工况的，单位面积流率值的城区总体平均值相对差值为56％。
　　e、温度场分析得到：各区200m高以内空间的体积平均温度，2.4m/s风速的热工况，最高温度达到35.498℃，高温区在城区的下风侧的建筑密集区；0.5m/s风速的热工况，最高温度达到35.858℃，高温区在城市的中部。
　　本文应用所建立的数值计算模型，针对咸阳市规划方案，进行了城市风场的计算分析。得到以下结论：规划的城市街道布局打通了南北和东西风道，改善了城市的通风环境。整体来看，在主导风向下，南北方向的通风要好于东西方向的；城市新城区西部区域的通风条件要远好于城市老城区东部区域的。
　　本研究为咸阳市城市规划方案的制定提供了帮助，同时在城市通风环境的大尺度数值建模上积累了一定的经验，研究成果对如何改善城市通风环境具有一定的指导意义。

目录

声明

第一章 绪论

1.1 课题研究背景及意义

1.2 建筑绕流研究方法

1.3 城市通风国内外研究现状

1.4 城市风场基本特性

1.5 本课题主要研究内容

本章小结

第二章 咸阳城区基本情况

2.1 咸阳城区地理位置

2.2 咸阳市气候条件

2.3 咸阳市地形地貌

本章小结

第三章 咸阳市现状通风研究数值计算建模

3.1 几何模型

3.2 网格划分

3.3 计算工况

3.4 边界条件

3.5 紊流模型的选择

本章小结

第四章 城市现状风场计算结果及分析

4.1 速度矢量场

4.2 各区的风速计算值

4.3 压力分布

4.4 温度场分布

4.5 各区的通风率

本章小结

第五章 咸阳市规划方案的通风环境

5.1 计算模型的建立

5.2 计算结果及分析

本章小结

结论与展望

本课题的主要工作和结论

展望

参考文献

攻读学位期间取得的研究成果

致谢

附图