三維城區(qū)湍流特性和室外通風(fēng)能力的研究

除減少污染物排放等措施外，合理的建筑布局、改善城區(qū)通風(fēng)和提高室內(nèi)自然通風(fēng)潛力是降低城市空氣污染和熱島效應(yīng)、減少夏季建筑空調(diào)能耗的重要手段，我國華南冬暖夏熱地區(qū)如香港、廣州等城市對此有更高的要求。我們在風(fēng)洞實驗數(shù)據(jù)驗證下，以計算流體(CFD)數(shù)值模擬為主要手段進(jìn)行了如下研究。根據(jù)廣州城區(qū)和文獻(xiàn)中世界典型城區(qū)建筑密度范圍，設(shè)計了具有不同密度的理想城區(qū)模型。首先與瑞典皇家工學(xué)院Mats Sandberg教授合作在其風(fēng)洞實驗室中測量了典型城區(qū)湍流場和建筑阻力分布等。在少量大渦模擬數(shù)據(jù)的比較下，以雷諾時間平均RANS湍流模型為基礎(chǔ)的計算流體CFD模擬為主，研究了更多建筑布局。其中運用通風(fēng)量、換氣次數(shù)、空氣齡、通風(fēng)效率、排污流率和排污貢獻(xiàn)率等概念綜合評估城區(qū)大小、建筑密度、建筑排列方式、建筑高低變化、建筑底部架空結(jié)構(gòu)、來流風(fēng)向、街道半開放遮蓬結(jié)構(gòu)、城區(qū)通風(fēng)廊道、定建筑表面熱流率等對理想城區(qū)通風(fēng)能效的定量影響，是本項目研究的重要特色。首次采用污染物濃度衰減法研究建筑布局對城區(qū)換氣次數(shù)和空氣齡的影響，是一個重要創(chuàng)新。其次,人們平均90%的時間是在室內(nèi)度過的，建筑自然通風(fēng)對室內(nèi)空氣質(zhì)量非常重要，采用CFD數(shù)值模擬與三個通風(fēng)指標(biāo)相結(jié)合的方法，定量評估了三個主導(dǎo)風(fēng)向下廣州大學(xué)城中心湖醫(yī)院260間病房的單側(cè)和雙側(cè)自然通風(fēng)能效。我們采用了單域法同時耦合計算室內(nèi)、室外流場，運用surface-grid extrusion technique生成高質(zhì)量的六面體網(wǎng)格。采用示蹤氣體均一釋放法計算260間病房的空氣齡和換氣效率，是該研究的一個特色。最后，城市繁忙主干道的汽車尾氣污染對兩側(cè)建筑及附近街區(qū)空氣質(zhì)量會產(chǎn)生不利影響。我們研究了二維街谷高寬比、不同壁面加熱條件、有無高架橋和噪聲擋板等對氣態(tài)和顆粒污染物在街谷內(nèi)擴(kuò)散、向自然通風(fēng)的建筑室內(nèi)擴(kuò)散等的影響機(jī)制。在該國家基金項目的資助下，項目負(fù)責(zé)人已在國際期刊<>發(fā)表SCI論文4篇，在Indoor Air 國際會議上發(fā)表會議論文3篇，另有5篇SCI論文正在審稿或準(zhǔn)備投稿。 2100433B

城區(qū)風(fēng)環(huán)境的改善有利于居民身心健康和減少建筑暖通能耗。本項目將根據(jù)華南地區(qū)城市人口密度和土地利用率特點設(shè)計理想建筑群布局，并通過風(fēng)洞實驗和以大渦模擬(Large eddy simulation)為基礎(chǔ)的計算流體(CFD)技術(shù)研究若干典型城區(qū)冠層(Urban canopy layer)的湍流特性和污染物擴(kuò)散機(jī)理，得到精確可信的通風(fēng)量等數(shù)據(jù)；然后運用以RANS湍流模型為基礎(chǔ)的CFD技術(shù)結(jié)合室內(nèi)通風(fēng)概念，研究較多建筑布局和走向與城區(qū)冠層的通風(fēng)量、換氣次數(shù)、空氣齡、通風(fēng)效率、排污率等通風(fēng)能力的定量關(guān)系，同時通過比較各建筑前后表面壓力差研究室內(nèi)自然通風(fēng)潛力，并分析速度場研究行人區(qū)舒適性。本項目不僅能取得對若干典型城區(qū)湍流流動機(jī)理和通風(fēng)能力的準(zhǔn)確認(rèn)知，有重要學(xué)術(shù)意義；還能多角度定量評價較多城區(qū)布局的室外風(fēng)環(huán)境質(zhì)量，為我國冬暖夏熱地區(qū)可持續(xù)性城市規(guī)劃提供有價值的參考。

湍流在空氣動力學(xué)中指的是短時間(一般少于10min)內(nèi)的風(fēng)速波動。為了有效地描述風(fēng)，將它認(rèn)為是通過天氣、晝夜、季節(jié)的平均風(fēng)速和湍流的風(fēng)速波動疊加構(gòu)成的。這些風(fēng)速波動的周期一般為一到幾個小時，在10分鐘，湍流波動的平均值為零。

湍流產(chǎn)生的原因主要有兩個:一個是當(dāng)氣流流動時，由于地形差異(如山峰)造成的與地表的摩擦或者阻滯作用;另一個是因為大氣溫度差異和空氣密度差異引起的氣流垂直流動。通常這兩種原因彼此影響。例如，當(dāng)氣流經(jīng)過高山時就會被迫流向溫度較低的地區(qū)，這時氣流與大氣環(huán)境的熱平衡被打破，引起風(fēng)速波動。

湍流顯然是一個復(fù)雜的隨機(jī)過程，并且不用簡單明確的方程來表示，我們能可以通過統(tǒng)計規(guī)律來研究湍流。針對湍流統(tǒng)計規(guī)律的描述有很多，關(guān)鍵在于找出是湍流強(qiáng)度和陣能哪一種夠在實際工程中得到最好的應(yīng)用，最簡單的統(tǒng)計描述就是湍流度和風(fēng)因子。其中，湍流強(qiáng)度是對湍流總體水平的度量。

通過在物體表面貼上一層柔性覆層來抑制湍流達(dá)到減阻效果是一種簡單而有潛力的湍流減阻被動控制方法。本項目利用直接數(shù)值模擬的手段，對柔性覆層湍流邊界層特性及減阻機(jī)理進(jìn)行研究。（1）柔性覆層湍流邊界層的直接數(shù)值模擬方法研究：采用基于動態(tài)曲線坐標(biāo)方法處理任意變形的流體邊界，結(jié)合輔助計算法和比例縮放法給出湍流邊界層的入口條件，柔性覆層計算模型包括各向同性和各向異性模型；（2）柔性覆層湍流邊界層的統(tǒng)計特性，近壁相干結(jié)構(gòu)動力學(xué)過程及減阻機(jī)理研究：采用流場可視化和條件平均的方法，研究柔性覆層對近壁湍流相干結(jié)構(gòu)及湍流自維持機(jī)制的影響，通過雷諾應(yīng)力輸運方程中各項的平衡關(guān)系來研究湍流減阻的機(jī)理；（3）柔性覆層關(guān)鍵材料參數(shù)研究：結(jié)合單諧波分析，根據(jù)數(shù)值模擬的結(jié)果分析關(guān)鍵材料參數(shù)對減阻效果的影響，并在均勻材料的研究基礎(chǔ)上設(shè)計非均勻材料結(jié)構(gòu)以求改善減阻效果，為實驗研究及實際應(yīng)用提供參考。