城市規(guī)劃CFD模擬設(shè)計(jì)的數(shù)字化研究(2)

時(shí)間：2014-01-31 20:54:49 作者：余莊，張輝來源：網(wǎng)絡(luò)媒體閱讀：6151

內(nèi)容摘要：【摘要】介紹了如何建立CFD模擬中城市數(shù)字模型。CFD模擬應(yīng)用在城市規(guī)劃與城市氣候關(guān)系的研究中，準(zhǔn)確、合理的CFD城市數(shù)字模型是進(jìn)行研究的關(guān)鍵。將復(fù)雜的城市轉(zhuǎn)化為可在CFD中進(jìn)行仿真模擬的數(shù)字模型，需將城市中的建筑材料性質(zhì)、水體的數(shù)字模型以及城市特征轉(zhuǎn)化為CFD模型的數(shù)字參數(shù)，以...

2 城市數(shù)字模型建立

將復(fù)雜的城市轉(zhuǎn)化為可在CFD中進(jìn)行仿真模擬的數(shù)字模型，一方面，城市中不同地區(qū)的建筑密度、人口密度和綠化程度等相應(yīng)的分布都會(huì)有很大的差別。在受到相同的城市氣=條件影響時(shí)，其所表現(xiàn)出的溫度、太陽輻射溫度、舒適度、大氣壓等特征也會(huì)大相徑庭。在研究氣候環(huán)境對(duì)城市小氣候的影響時(shí)，對(duì)城市的不同地塊進(jìn)行一定的區(qū)塊劃分成為一個(gè)十分必要的工作。另一方面，在CFD中建立城市數(shù)字模型進(jìn)行分析研究時(shí)，由于城市中各種因素的多樣性，建立數(shù)字模型其工作量也會(huì)非常大。通過對(duì)城市中不同地區(qū)的分析調(diào)查，將相似特征的地區(qū)作為一個(gè)整體進(jìn)行分析研究，給研究城市大氣候?qū)Τ鞘幸约俺鞘兄胁煌貐^(qū)之間的相互影響提供了十分便利的手段。因此，根據(jù)城市的現(xiàn)有布局情＃以城市主要干道、山體、河流、湖泊等各種條件為界限，將城市分為不同的區(qū)域地塊，建立CFD的城市數(shù)字模型。

圖1 分級(jí) 圖

Fig.1 picture for classification

在將城市以主要干道、山體、河流、湖泊3各種條件為界限，分為不同的區(qū)域地塊（即為模型中的BLOCK），考慮到不同區(qū)域的建筑密度大小、容積率、人口毛密度、綠化程度等因素組成的數(shù)字模型在模擬仿真計(jì)算過程中可能表現(xiàn)出的不同特性，將整個(gè)研究區(qū)域內(nèi)分為五個(gè)等級(jí)。在區(qū)域分級(jí)過程中，(1)根據(jù)不同區(qū)域內(nèi)的實(shí)際情況，綜合考慮區(qū)域內(nèi)建筑密度、容積率、人口毛密度、綠化程度（包括無覆蓋、非裸露土地，如菜地等）等因素的基礎(chǔ)上，取各參數(shù)在本地塊上的平均值（該值也根據(jù)具體情況作一些微調(diào)）；（2）主要以該區(qū)域的Block接受太陽輻射的程度、風(fēng)的影響大小為標(biāo)準(zhǔn)；（3）級(jí)別由低到高劃分過程中，其區(qū)域內(nèi)的建筑密度由小到大，容積率由低到高，人口毛密度也由小到大，而其綠化率則由高逐漸過渡到低。以武漢市為例，根據(jù)以上區(qū)域分區(qū)、分級(jí)方法，將武漢市分為五個(gè)等級(jí)（見附表及分級(jí)圖1）。

從圖中可知，級(jí)別逐漸升高，代表其區(qū)域內(nèi)的建筑密度、容積率、人口毛密度、綠化程度逐級(jí)變化。比如在三級(jí)區(qū)域內(nèi)，建筑密度在20%—30%之間，容積率為1.0—1.5之間，人口毛密度為400－600人／公頃，在該區(qū)域內(nèi)有相當(dāng)面積的綠化，但總體綠化率一般。但在有些綠化程度高的區(qū)域內(nèi)，如綠化程度高的高等學(xué)校用地（通過衛(wèi)星遙感圖觀察），盡管人口密度大，從接受太陽輻射程度來考慮，仍可設(shè)置為低級(jí)別。

模型中，每個(gè)block都要根據(jù)媸脅煌地區(qū)地面情況受太陽輻射和風(fēng)的大小而產(chǎn)生的地區(qū)特征進(jìn)行設(shè)置，對(duì)于城市中的較空曠地形，可作為廣場考慮；城市中的河流和湖泊等水體，除了隨著季節(jié)的變化有一定的溫度外，還有一定的蒸發(fā)量，故根據(jù)其溫度變化特征和蒸發(fā)的特征，將其作為一個(gè)向上散發(fā)氣體的出風(fēng)口，在模嬤猩柚夢(mèng)opening屬性。蒸發(fā)量的計(jì)算包括水面蒸發(fā)、土壤蒸發(fā)、植物散發(fā)以及流域總蒸發(fā)量的計(jì)算。在此次研究中，主要考慮水體的蒸發(fā)量。有關(guān)的各地實(shí)測資料也較充足，但由于實(shí)測的蒸發(fā)器的水熱條件和天然水面不同，所以測出的蒸發(fā)量需要通過折算，才能轉(zhuǎn)化為天然水面蒸發(fā)量。其折算關(guān)系為：E = φE′，式中Ｅ為水面實(shí)際蒸發(fā)量，Ｅ＇為蒸發(fā)器測定值；φ為折算系數(shù)。對(duì)于城市中的馓?？梢詫⑵淇紤]為一個(gè)豎向的不規(guī)則物體。

采用上述轉(zhuǎn)換方法，還需將城市中的不同下墊面性質(zhì)以及城市特征轉(zhuǎn)化為CFD模型的數(shù)字參數(shù)。對(duì)于城市中不同級(jí)別的區(qū)域，在確定模型高度和材質(zhì)上，對(duì)于地塊廡痛誘體上綜合考慮其受太陽輻射和風(fēng)的大小影響的程度，分別將建筑密度、容積率、人口毛密度、綠化程度的等，轉(zhuǎn)化為各block的屬性參數(shù)。如綜合考慮一級(jí)、二級(jí)的低級(jí)別區(qū)域，由于其受太陽輻射和風(fēng)影響相對(duì)小，block屬性采用空心，材質(zhì)為磚；對(duì)于三級(jí)、四級(jí)和五級(jí)地塊模型，由于其受太陽輻射和風(fēng)影響影響大，模型采用實(shí)體的水泥材質(zhì)。在材質(zhì)的具體物理特性上，如對(duì)太陽輻射的反射率，熱的吸收等，再根據(jù)具體情況進(jìn)行設(shè)置。

圖2 武漢市模型圖

Fig.2 Wu Han model picture

CFD模擬時(shí)，首先創(chuàng)建一個(gè)城市大空間的zoom，確定zoom在CFD中的長、寬、高尺寸，一般要適當(dāng)?shù)拇笥谡麄€(gè)城市模型。用于進(jìn)行CFD的仿真環(huán)境模擬；其次，在幾何模型相應(yīng)的位置建立進(jìn)風(fēng)口和出風(fēng)口，用于模擬城市在大<候環(huán)境下的季節(jié)風(fēng)向；本次研究中，采用1：1000的模型進(jìn)行研究。（如圖2，武漢市模型圖）

3 模擬的初始條件設(shè)立

在CFD中完成模型創(chuàng)建后，輸入要進(jìn)行模擬仿真的城市所在的經(jīng)度、緯度，所要進(jìn)行計(jì)算的月份、時(shí)間和與太陽輻射相關(guān)的入射角度、空氣折射指數(shù)、太陽漫射強(qiáng)度等參數(shù)，作為模擬計(jì)算的初始條件；設(shè)置為混合層流模型來模擬大氣的流動(dòng)。

模型地塊為熱輻射模型，因此對(duì)于不同級(jí)別的地塊模型，根據(jù)不同區(qū)域的實(shí)際情況，設(shè)置不同的初始溫度。以武漢市一級(jí)地塊模型為例，在一級(jí)地塊區(qū)域內(nèi)，建⒚芏刃　⑷莼率低、人口毛密度小、綠化程度好，其初始溫度低，一般設(shè)置為28℃；如四級(jí)地塊模型，其建筑密度大、容積率高、人口毛密度大，其初始溫度高，一般設(shè)置為40℃。

河流、湖泊模型，由于其溫度受季節(jié)變化較大，在進(jìn)行仿真模擬計(jì)算時(shí)，根據(jù)計(jì)算的季節(jié)不同，設(shè)置不同的初始溫度。對(duì)于夏熱冬冷地區(qū)的武漢來說，根據(jù)測量數(shù)值，將湖水溫度設(shè)置為：夏季26℃，冬季為5℃等。

在CFD模擬計(jì)算中，通過設(shè)置進(jìn)風(fēng)口和出風(fēng)口的不同位置和參數(shù)，并附加其他有關(guān)參數(shù)，達(dá)到模擬城市不同季節(jié)的自然氣候條件的目的。以武漢市為例，夏季3個(gè)月的日平均溫度為32℃，風(fēng)速為15km/h；冬季3個(gè)月日平均氣溫為0℃，風(fēng)速為5km/h。以上數(shù)據(jù)是武漢市氣象局提供的具體測量值，然后用計(jì)算機(jī)軟件，對(duì)相關(guān)氣候資料信息進(jìn)行分析和轉(zhuǎn)換后得到的。模擬時(shí)，再將具體的溫度和風(fēng)速值，如夏季中午12點(diǎn)至下午2點(diǎn)氣象值（由該時(shí)段的風(fēng)玫瑰確定模設(shè)置為進(jìn)風(fēng)口和出風(fēng)口的初始參數(shù)，模擬城市數(shù)字模型在該時(shí)段中的受到的氣候環(huán)境影響。