基于零方程湍流模型的非等溫城市區(qū)域熱環(huán)境的模擬研究.pdf

1、過去二十多年來，國內(nèi)外大多數(shù)研究采用RANS兩方程湍流模型和LES模型來研究城市區(qū)域環(huán)境，由于城市區(qū)域環(huán)境的復(fù)雜性和較大的空間尺度，兩種計算方法需要特別大的計算機資源，因此如何能夠快速而又有效地預(yù)測非等溫城市區(qū)域環(huán)境成為本研究的主要目標(biāo)。本文首先分析目前城市風(fēng)熱環(huán)境的研究方法、城市環(huán)境CFD模擬技術(shù)、建筑外表面對流換熱系數(shù)以及城區(qū)區(qū)域污染物對流傳輸?shù)挠绊懙妊芯窟M(jìn)展，提出了本文的主要研究內(nèi)容:(a)提供優(yōu)化的零方程湍流模型(Zero-EQ

2、)，(b)研究不同街谷和建筑群分布的建筑外表面對流換熱系數(shù)分布，(c)證明優(yōu)化的零方程湍流模型以及壁面溫度和對流換熱系數(shù)組合的邊界條件能夠快速有效地預(yù)測城市熱環(huán)境，(d)研究城市區(qū)域環(huán)境污染物對流傳輸?shù)挠绊憽Ｔ敿?xì)的研究內(nèi)容如下:
　　本研究通過研讀大量的參考文獻(xiàn)和歸納總結(jié)長期的CFD計算經(jīng)驗，提出了城市區(qū)域環(huán)境CFD模擬設(shè)置常用的設(shè)定方法，包括湍流模型的選擇，數(shù)值誤差的確定，計算區(qū)域的設(shè)置，計算網(wǎng)格的劃定，以及計算邊界條件的設(shè)定等

3、，建立了簡化的CFD模擬設(shè)定分類，提供給研究者一些理論和經(jīng)驗的總結(jié)。
　　本研究選用風(fēng)洞實驗對零方程湍流模型進(jìn)行優(yōu)化，分析實驗數(shù)據(jù)，推導(dǎo)出優(yōu)化的湍流渦粘度表達(dá)式，應(yīng)用新的優(yōu)化的湍流模型與風(fēng)洞實驗數(shù)據(jù)進(jìn)行驗證和分析。結(jié)果表明，在同等計算機配置下，Zero-EQ能夠比MMK湍流模型快60％以上，是LES計算所需時間的1/10，同時Zero-EQ能較準(zhǔn)確地預(yù)測多棟建筑周圍流場的分布。考慮到重復(fù)不同工況風(fēng)洞實驗的局限性，本研究首先選擇RA

4、NS兩方程湍流模型來預(yù)測不同建筑群分布的流場分布，得到不同建筑群基于應(yīng)變率和局部速度大小的渦粘度表達(dá)式（Zero-EQ2和Zero-EQ3）。利用上述風(fēng)洞實驗的研究結(jié)果(Zero-EQ1)，選用不同的建筑群分布，對比三種模型的模擬結(jié)果與MMK湍流模型預(yù)測數(shù)據(jù)的優(yōu)劣，得到Zero-EQ2和Zero-EQ3比Zero-EQ1更能夠快速有效地預(yù)測建筑群周圍流場分布的結(jié)論。
　　本研究利用CFD模擬計算的方法對不同城市街谷高寬比(H/W)

5、和不同平面面積密度（λp）建筑群分布（并行式和交錯式）的室外表面對流換熱系數(shù)進(jìn)行研究，推導(dǎo)出不同建筑分布狀況下的對流換熱系數(shù)表達(dá)式，hc=（a+bH/W）Uc10和hc=(a+bλp)Uc10。選用風(fēng)洞實驗數(shù)據(jù)，和現(xiàn)場測試（賓夕法尼亞州立大學(xué)校園某學(xué)生公寓）數(shù)據(jù)，獲取足夠的計算邊界條件和驗證數(shù)據(jù)，減少計算區(qū)域網(wǎng)格，通過設(shè)置對流換熱系數(shù)和溫度邊界作為壁面計算條件，來間接驗證對流換熱系數(shù)的準(zhǔn)確性;應(yīng)用零方程湍流模型計算城市街谷的熱環(huán)境，得到

6、與風(fēng)洞實驗吻合較好的數(shù)據(jù)，比RANS兩方程湍流模型快一倍的速度，證明了其在工程應(yīng)用領(lǐng)域的優(yōu)勢，同時指出零方程湍流模型對于浮力流動預(yù)測的局限性。另外，本研究中計算得到的對流換熱系數(shù)表達(dá)式能夠為今后繼續(xù)能耗模擬研究提供足夠的研究依據(jù)。
　　本研究利用以上研究成果:優(yōu)化的零方程湍流模型和建筑外表面的對流換熱系數(shù)，研究二維城市街谷和三維建筑群的熱環(huán)境對污染物濃度的影響。首先利用RNG湍流模型研究二維城市街谷的不同壁面受熱條件下自然對流環(huán)境

7、、混合對流環(huán)境和強迫對流環(huán)境下的速度分布、溫度分布和污染物分布。由于零方程湍流模型不能較好地預(yù)測浮力流動，三維建筑群只選擇強迫對流為主的熱環(huán)境，選擇入口與壁面溫度差分別為ΔT=0℃和ΔT=10℃的兩種邊界條件，通過分析建筑群周圍污染物的分布，驗證了其快速預(yù)測污染物分布的準(zhǔn)確性。最后本文選擇成都市蒲江縣壽安鎮(zhèn)的某一生態(tài)建設(shè)項目，根據(jù)當(dāng)?shù)貧庀髼l件，通過研究壽安舊城區(qū)目前城市規(guī)劃情況下的夏季城市熱環(huán)境，分析不同區(qū)域的熱環(huán)境特點，提供給新城區(qū)規(guī)