城市規劃CFD模擬設計的數字化研究(2)

時間：2014-01-31 20:54:49 作者：余莊，張輝來源：網絡媒體閱讀：6082

內容摘要：【摘要】介紹了如何建立CFD模擬中城市數字模型。CFD模擬應用在城市規劃與城市氣候關系的研究中，準確、合理的CFD城市數字模型是進行研究的關鍵。將復雜的城市轉化為可在CFD中進行仿真模擬的數字模型，需將城市中的建筑材料性質、水體的數字模型以及城市特征轉化為CFD模型的數字參數，以...

2 城市數字模型建立

將復雜的城市轉化為可在CFD中進行仿真模擬的數字模型，一方面，城市中不同地區的建筑密度、人口密度和綠化程度等相應的分布都會有很大的差別。在受到相同的城市氣=條件影響時，其所表現出的溫度、太陽輻射溫度、舒適度、大氣壓等特征也會大相徑庭。在研究氣候環境對城市小氣候的影響時，對城市的不同地塊進行一定的區塊劃分成為一個十分必要的工作。另一方面，在CFD中建立城市數字模型進行分析研究時，由于城市中各種因素的多樣性，建立數字模型其工作量也會非常大。通過對城市中不同地區的分析調查，將相似特征的地區作為一個整體進行分析研究，給研究城市大氣候對城市以及城市中不同地區之間的相互影響提供了十分便利的手段。因此，根據城市的現有布局情＃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域地塊，建立CFD的城市數字模型。

圖1 分級圖

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，分為不同的區域地塊（即為模型中的BLOCK），考慮到不同區域的建筑密度大小、容積率、人口毛密度、綠化程度等因素組成的數字模型在模擬仿真計算過程中可能表現出的不同特性，將整個研究區域內分為五個等級。在區域分級過程中，(1)根據不同區域內的實際情況，綜合考慮區域內建筑密度、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）等因素的基礎上，取各參數在本地塊上的平均值（該值也根據具體情況作一些微調）；（2）主要以該區域的Block接受太陽輻射的程度、風的影響大小為標準；（3）級別由低到高劃分過程中，其區域內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，根據以上區域分區、分級方法，將武漢市分為五個等級（見附表及分級圖1）。

從圖中可知，級別逐漸升高，代表其區域內的建筑密度、容積率、人口毛密度、綠化程度逐級變化。比如在三級區域內，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，在該區域內有相當面積的綠化，但總體綠化率一般。但在有些綠化程度高的區域內，如綠化程度高的高等學校用地（通過衛星遙感圖觀察），盡管人口密度大，從接受太陽輻射程度來考慮，仍可設置為低級別。

模型中，每個block都要根據媸脅煌地區地面情況受太陽輻射和風的大小而產生的地區特征進行設置，對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，除了隨著季節的變化有一定的溫度外，還有一定的蒸發量，故根據其溫度變化特征和蒸發的特征，將其作為一個向上散發氣體的出風口，在模嬤猩柚夢opening屬性。蒸發量的計算包括水面蒸發、土壤蒸發、植物散發以及流域總蒸發量的計算。在此次研究中，主要考慮水體的蒸發量。有關的各地實測資料也較充足，但由于實測的蒸發器的水熱條件和天然水面不同，所以測出的蒸發量需要通過折算，才能轉化為天然水面蒸發量。其折算關系為：E = φE′，式中Ｅ為水面實際蒸發量，Ｅ＇為蒸發器測定值；φ為折算系數。對于城市中的馓澹可以將其考慮為一個豎向的不規則物體。

采用上述轉換方法，還需將城市中的不同下墊面性質以及城市特征轉化為CFD模型的數字參數。對于城市中不同級別的區域，在確定模型高度和材質上，對于地塊廡痛誘體上綜合考慮其受太陽輻射和風的大小影響的程度，分別將建筑密度、容積率、人口毛密度、綠化程度的等，轉化為各block的屬性參數。如綜合考慮一級、二級的低級別區域，由于其受太陽輻射和風影響相對小，block屬性采用空心，材質為磚；對于三級、四級和五級地塊模型，由于其受太陽輻射和風影響影響大，模型采用實體的水泥材質。在材質的具體物理特性上，如對太陽輻射的反射率，熱的吸收等，再根據具體情況進行設置。

圖2 武漢市模型圖

Fig.2 Wu Han model picture

CFD模擬時，首先創建一個城市大空間的zoom，確定zoom在CFD中的長、寬、高尺寸，一般要適當的大于整個城市模型。用于進行CFD的仿真環境模擬；其次，在幾何模型相應的位置建立進風口和出風口，用于模擬城市在大<候環境下的季節風向；本次研究中，采用1：1000的模型進行研究。（如圖2，武漢市模型圖）

3 模擬的初始條件設立

在CFD中完成模型創建后，輸入要進行模擬仿真的城市所在的經度、緯度，所要進行計算的月份、時間和與太陽輻射相關的入射角度、空氣折射指數、太陽漫射強度等參數，作為模擬計算的初始條件；設置為混合層流模型來模擬大氣的流動。

模型地塊為熱輻射模型，因此對于不同級別的地塊模型，根據不同區域的實際情況，設置不同的初始溫度。以武漢市一級地塊模型為例，在一級地塊區域內，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，一般設置為28℃；如四級地塊模型，其建筑密度大、容積率高、人口毛密度大，其初始溫度高，一般設置為40℃。

河流、湖泊模型，由于其溫度受季節變化較大，在進行仿真模擬計算時，根據計算的季節不同，設置不同的初始溫度。對于夏熱冬冷地區的武漢來說，根據測量數值，將湖水溫度設置為：夏季26℃，冬季為5℃等。

在CFD模擬計算中，通過設置進風口和出風口的不同位置和參數，并附加其他有關參數，達到模擬城市不同季節的自然氣候條件的目的。以武漢市為例，夏季3個月的日平均溫度為32℃，風速為15km/h；冬季3個月日平均氣溫為0℃，風速為5km/h。以上數據是武漢市氣象局提供的具體測量值，然后用計算機軟件，對相關氣候資料信息進行分析和轉換后得到的。模擬時，再將具體的溫度和風速值，如夏季中午12點至下午2點氣象值（由該時段的風玫瑰確定模設置為進風口和出風口的初始參數，模擬城市數字模型在該時段中的受到的氣候環境影響。