基于空气动力学模拟的城市绿地局地微气候效应研究

2017-06-20 23:24:34

冯娴慧 / FENG Xian-hui 褚燕燕 / CHU Yan-yan

摘要:在城市社区2km内尺度上,应用计算流体力学(CFD)空气动力模拟软件,融合绿地生物特征解释式,设置城市近地面层典型气候条件,模拟社区建筑群与绿地之间的局地微气候风温效应场景。模拟实验结果证实,绿地与建筑区域之间的气候效应与其布局方式密切相关,绿地格局的变化会引起区域微气候风温环境的变化。正是由于不同空间格局绿地营造的不同微气候环境,因而不同规划设计方案对生境状况的影响也有所不同。从模拟结果来看,在绿地的不同布局环境中,绿地与建筑区之间微气候的风速大小、风场分布及温度分布都有一定的规律性,其定量关系是可以通过一定的技术方法来确定的。

关键词:风景园林;城市绿地;微气候;计算流体力学

文章编号:1000-6664(2017)04-0029-06

中图分类号:TU 986 文献标志码:A

收稿日期:2017-02-15; 修回日期:2017-02-22基金项目:国家自然科学青年基金项目“基于局地微气候调控与空气质量模拟的城市绿地空间格局优化机制研究”(编号41201590)、广州市民生科技重大专项“局地微气候、空气质量调节与城市绿地设计综合技术模型构建研究”(编号B2131050)和国家自然科学青年基金项目(编号51606226)共同资助

Abstract: This study simulates local micro-climate effects scenarios between community buildings and green space with the aerodynamic simulation CFD software and the fusion of green space biological characteristics explanation type. The simulation area is about 2km, which is the urban community scale. The simulation background environment set by the city near the ground layer typical climatic conditions. The simulation results indicate the micro-climate effect between the green space and building closely related to their regional layout. The changes of green space layout induce regional micro-climate changes. Because different spatial patterns of green space generate different micro-climate environments, the different planning and design scheme has different effect on the condition of the habitat. From the experimental results, in the different layout of green space environment, the micro-climate between green space and building area, the size of wind speed, wind field distribution, and temperature distribution show certain regularity, and the quantitative relationship can be done by a certain technical methods.

Key words: landscape architecture; green space; micro-climate; Computational Fluid Dynamics (CFD)

1 局地微气候特征与绿地效应

局地微气候环境是指城市覆盖层之下的近地面区域气候环境。呼吸带高度(1.5m)、汽车尾气排放高度均位于城市覆盖层内,该区域是人们最重要的生活区域,也是国际人居环境研究的焦点之一。

早在20世纪80年代,城市气候相对于自然气候而言,已经发生了巨大改变。伴随城市的扩张,城市内部近地层的风温状况表现出日益复杂的分布特征,该特征并非由大气候环境变化所引起,而是受地表环境,即土地利用/土地覆被变化所造成,形成了城市内部特殊的局地微气候环境,温度、湿度、风速、风向以及降雨等方面都发生了改变[1-2]。城市近地面层(即城市覆盖层内部)是城市居民生活的主要空间,也是微气候环境极为复杂的空间,城市近地面层局地气候和大气污染扩散的复杂性在特大城市中表现得尤为严重[3-4]。具体表现在“高度”和“规模”2个方面。城市覆盖层内部有其自身的气候特征,这一特征并不完全由大气环流等宏观气候条件所决定,城市建设方式和城市规划布局模式通常对其特征具有决定性影响。因此,单纯依靠气象站点(为避免城市建设的影响,气象站点通常分布于城市近郊或在高度上超出城市平均屋顶界面高度)的数据分析,并不能准确认知城市近地面气候特征,虽然在规划中已经关注到城市盛行风,但是由于城市内部存在多种不同尺度的城市风,内部风场十分复杂,仅仅考虑盛行风而进行的通风廊道规划是无法满足要求的。当前的城市局地微气候环境特征表现为:城市内部常年处于静风及无风状态,大气流动困难;局部高温异常区域增多;湿度增大;局地暴雨增加;能见度减小;雾霾日数增多等,直接影响汽车尾气等污染物的稀释和扩散,以及人居环境的适宜性,对人体健康和城市可持续发展产生严重影响[5-7]。城市绿地的生态效应多样,包括降温、增湿、固碳释氧、降噪、抗污染、生物多样性保护等。国内外学者在绿地对环境要素的改善程度、影响范围以及不同植被结构、种类的生态效应差异等方面进行了大量研究,其中降温效应一直是研究热点[8-10]。在研究方法上,实地观测、遥感技术、景观生态学计算法以及一些指数模型等均在绿地降温、固碳释氧、污染物去除效益等研究中有所应用[11-13]。

城市绿地对于局地微气候环境的形成具有关键性的影响,作为下垫面主要“冷湖”区域,其规模和布局形态改变了局地热能压力,从而直接影响局地微气候的形成。局地微气候环境的形成与下垫面状况(即城市绿地、建筑、道路等分布状况)紧密相关,其风温状态非常复杂。德国、葡萄牙、日本及中国香港等地[14-16]已经在城市具体街区地段层面开展绘制与土地利用下垫面相关的局地气候分析图,并参考城市内部热气候和空气流通要素来制定城市发展规模、土地用途、绿地开敞空间形态以及地形、建筑物布局等分析评价参数。通过对土地利用模式或格局的调整(即下垫面状况的改变)来改善城市局地微气候环境,对于减轻城市近地空气污染和营造适宜的人居环境具有十分重要的意义。因此,本文利用空气动力计算模拟软件,研究绿地与建筑在城市近地面层典型无风状态下,局地微气候的形成过程及其形成特征。

2 模拟实验目的与实验设计2.1 实验目的

在城市社区的微观尺度上,使用空气动力学数值模拟方法实现不同绿地布局的风温场效应研究。在近地面层静风环境条件下,实现地物(绿地和建筑等)热交换微气候环境的场景模拟,进而研究绿地在微气候环境形成中的作用机制。

2.2 实验设计

城市近地面典型微气候特征表现为静风状态下的湍流运动发育,形成动力主要依靠地物之间的热力流动。为有效进行典型微气候特征仿真模拟,实验设计使用植物蒸腾降温解释式和建筑辐射升温来逼真还原城市内部热力流动状态。采用计算流体力学(Computational Fluid Dynamics, CFD)软件作为模拟实验工具。CFD为高效的流体运动模拟方法之一,相对于观测实验和风洞实验,具有成本低、易于控制模拟条件和便于重复等优点,目前已经成为研究气流环境问题的主要方法之一[17]。CFD是利用数学计算中所设定的控制方程来预测流体流动、热值传递、化学反应和其他相关现象的工具,它遵循质量守恒、动量守恒和能量守恒这最基本的三大方程,模拟实验采用Fluent6.3,是分析流场、计算流场和预测流场的专用工具,可以模拟复杂的流动现象,包括物理模型中的计算热传导和流体流动模型(定常流动、非定常流动、层流、湍流等),还有相变模型、辐射模型、离散相变模型、多相流模型及化学组分输运和反应流模型等。

模型的建立是在微观尺度选取街区,通过遥感图像和实地勘察,以含等高线的CAD地形图为基础,创建模拟实验可运算的城市3D模型。通过变化绿地布局条件,模拟社区局地风场和温度场环境的形成。模型的参考原型为广州市大学城中轴线南部社区,地物元素包括建筑群、绿地、旷地(广场)、道路等,社区面积70hm2,建筑平均高度50m,模拟计算域1 000m×1 800m×50m,简化模型如图1所示。

在实验过程中,为精确模拟绿地效应,需要解决的关键问题是如何建立植物生理模型。在软件中,建筑材料的物理特性是能够进行精确描述的,而作为有机生命体,植物的生物学特征如何在动力学模拟计算中进行表征是一个复杂的问题。在城市微气候环境中,植物的蒸腾效应是影响风温气候环境的基础因素。植物将土壤中的水分通过植物根系向冠层输送,并通过蒸腾作用向大气输送,蒸腾将辐射能转化为潜热,一方面增加大气湿度,另一方面降低温度,从而促进空气对流强度。由此分析,我们引入蒸腾效应计算公式作为编程式,用来描述绿地在微气候环境效应中的真实作用。

3 模拟实验方法与实验过程3.1 实验方法

3.1.1 空气动力方程的选取

在方程的选取上,由于近地面层风速微弱,因此设置为低速大气运动,满足不可压缩 Navier-Stocks方程组,如(1)(2)式所示。

将大气流动采用完全湍流状态,采用标准的k-ε模型描述大气湍流运动的随机性。湍动能k的输运方程是一个精确方程,湍动耗散率ε的输运方程是由半经验公式推导出的方程。湍动能k和湍动耗散率ε的输运方程如(3)(4)式所示。

式中:γ为粘性系数; 为湍流能;

为耗散率; 分别为层流粘性系数和湍流粘性系数; 为平均速度梯度引起的湍流能; 为浮力引起的湍流能; 为可压缩湍流脉动膨胀对总耗散率的影响;

为经验常数,Fluent中的默认值为;

分别为湍流能和湍流耗散率对应的普朗特数 。

3.1.2 传热控制方程的设置

局地微气候环境包含常见的各种类型传热问题,既有简单的导热对流,也有比较复杂的浮力驱动流动、自然对流和辐射传热问题。模拟实验中可以通过在能量方程中加入相应项来考虑对不同类型问题中相关因素的影响。导热问题可通过设置壁面厚度,给出壁面厚度方向的适当热阻来进行传热计算;对流传热采用Boussinesq假设计算大气温差引起的浮力效应;对于辐射传热问题,将辐射作为能量方程的源项进行建模,使用辐射传递方程进行辐射传热的计算。模拟采用DO辐射算法,采用太阳加载模型的离散坐标辐照模型直接进行太阳负荷计算。

3.1.3 植物蒸腾效应UDF解释式

植物生理模型是整个研究中的一个关键组成部分,其内容是由植物通过蒸腾作用向大气输送水分,将辐射能转化为潜热而改变温度,进而触发风场的变化。植物降温效应在1000m3范围内其计算式如(5)式所示。

式中: nE为单位绿化面积日均蒸腾强度,J/(m2·h);L为蒸发潜热系数;T为测定叶片的表面温度,℃;cP为空气的容积热容量,cP =1256J/(m2·h)。

绿地作为太阳辐射的主要受体,设置植被对可见光的吸收系数为0.1,对红外光的吸收系数为0.7,同时绿地与大气环境以热传导、自然对流的形式进行热量交换。采用UDF程序,通过定制宏(DEFINE_HEAT_FLUX)指定能量方程的系数来修改壁面边界条件以适应热传导、自然对流的混合传热模式。对壁面的净辐射热流由植物的蒸腾效应方程式计算,如(6)式所示。

模拟涉及草地、灌木以及乔木3种植被类型,其中草地植物日均蒸腾强度取134.12J/ (m2

·h),灌木植物日均蒸腾强度取为260J/ (m2

·h),植物高0.5m,乔木植物日均蒸腾强度取359.12J/(m2

·h),植物高3m。变化范围134.12~359.66J/(m2

·h);降温幅度控制在0.24~0.71℃;日降温总量控制在2.42~6.29~10.76℃。

3.1.4 主要参数的设置

包括日照参数的设置,及建筑材料、土地热导率等。日照参数的设置采用太阳加载模型的离散坐标辐照模型直接进行太阳载荷计算。通过指定Solar Calculator模型中需要的纬度、经度、时区、起始日期、时间和网格指向等参数值,将其设置为晴朗天空的条件,太阳辐照取理论最大值。以广州地区为研究对象,取北纬23°8′,东经113°14′,东8区,根据秋季天气状况,取日出方位角270°,日落方位角90°,太阳中天高度56°,设大气消光系数为0.5。

根据广州地区的地质结构,将土壤含水量30%、密度1 200kg/m3的红色土壤作为非绿地区及旷地的主要成分,土地的热导率为1.09W/(m·℃),对可见光的吸收系数为0.26,对红外光的吸收系数为0.9,非绿地区通过热辐射、热传导和自然对流3种混合模式与环境进行热交换。

3.2 实验过程

数值模拟过程主要分为3个阶段。第一阶段是前期问题分析和预处理模拟。根据模拟目的来选择模拟工具(软件)、建立模型、确定参数。根据城市局地微气候特性,选择低速大气运动与湍流方程式。在模型建立的过程中进行简化问题(理想化)的假设,即建筑群分布、密度、高度、绿地形态、绿地率、旷地特征的简化明确,以及修改模型的需要(UDF编程)。确定模拟结果精度和时间的要求,与气象站点的数据预报进行比对验证,将模拟区域测点的日变化温度与广州市天气预报日变化温度进行比对,发现日变化曲线基本吻合(由于建筑的影响,局地温度稍高),故模拟可较为真实地反映实际的气温变化。模型计算域通过GAMBIT网格转换CAD数据来建立。

第二阶段进行具体模拟实验(实施求解)。CFD模拟中的材料,如混凝土、金属、石灰面等都有明确的理化特性,绿地植物与之相比存在极大差异。在已有的相关模拟研究中,通常以建筑为主体,较少涉及植物特性,或者将植物处理为建筑体面。在一些深入的专题研究中,建议将植物处理为多孔体,以表现叶片的间隙特征进行通风计算[18]。但这只是植物的物理外表特征,在热能传递、流体流动的模拟过程中,还必须在模拟实验中体现植物的蒸腾效应,对植物进行生物性定义。通过UDF编程描述蒸腾效应,可以逼真地还原绿地对局地气候场景的影响。

第三阶段是完成模拟实验,进行结果分析。经过参数调试和方案调整,建模和模拟工作集中于2014年3—5月、2014年10—12月开展。先后完成不同绿地分布和绿地率方案(case)的风场与温度场景的时空变化模拟。

4 实验结果与分析4.1 绿地风效应分析

检验模拟的模型设置为微缩理想化城市街区,以1km×1km围合街区,中心绿地、街区外围设置为旷地。中心绿地乔木高3.5m,乔木种植方式有树林密植和50%密度种植2种布局形式。上风方向的气温低于下风向(图2)。建筑的围合造成了城市内部风速微弱的无风状态,虽无强风,但由于建筑与绿地之间的空气流动,导致城市内部的风场反而极大增强,其风向不明显,表现为急剧的大气湍流运动(图3)。其中绿地区域气流流出,种植较疏的绿地气流方向性更为明显,利于通风;而密林的湍流更多,流动性弱于疏林(图4)。

4.2 绿地和建筑热交换的微气候环境

局地微气候的形成机制是绿地、建筑之间的热量交换。在反复模拟验证中表明,当这种相互热量交换达到一定数值时,建筑与绿地之间的空气流动增强,形成局地环流,强化风速,改善城市内部近地的闷热环境。尤其在建筑和绿地之间的交界面,湍流更急,风速增强(图5、6)。绿地区域对气流的扰动加剧,更能促进空气流动(图7)。

4.3 绿地对局地风温场形成的分析

设置含有不同植被类型和绿地率的绿地布局规划方案,以进行局地微气候数值模拟计算(表1)。Case1中,当绿地率达到65%,绿地对局地风场的形成产生主导作用,局地湍流强化,表现为多中心的风场环境,风速廓线复杂,风向变化多样(图8);但是绿地对河风的导流能力不如旷地,旷地对局地风场的形成能力远不如绿地,在以旷地为主的Case2中,近地的湍流弱,但对河风的导流作用明显,旷地对局地气候的调节能力弱、导流作用强,可见明显的风向流动(图9)。在Case3中,当绿地以地被、灌木为主,而非乔木时,局地湍流弱化,分散分布状况更为明显(图10)。

从日变化规律来分析,伴随太阳辐射的变化,即加热程度的变化,从上午9:00 开始,温差逐步加大,温度场空间分布逐渐分异变化,至正午13:00—14:00,温度场空间分布最为复杂(图11)。与温度场分布相对应,温差变化带来大气流动变化,也造成风场分布多样的状况。通过温差变化来逐步强化大气流动对城市环境是有益的,在绿地对环境气候的改善中,温差效应也是一个很重要的因素。

模拟实验结果证实,绿地与建筑区域之间的气候效应与其布局密切相关,绿地格局的变化确实引起区域微气候环境的变化。绿地与建筑热交换所形成的微气候环境揭示了近地面风场的复杂性原因。这种风温场具有其有利的一面,即促进空气的流动,改善环境;也有其不利的一面,就是携带污染物循环污染。需特别指出的是,正是这种不同空间格局营造的微气候环境的存在,表明了不同设计方案对生境状况具有不同的影响。从实验结果来看,在不同布局的绿地环境中,绿地与建筑区之间的微气候,其风速大小、风场分布、温度分布都具有一定的规律性,其定量关系是可以通过一定技术方法来确定的,这将成为风景园林设计的科学依据之一。

5 问题探讨

由于下垫面的复杂性,城市近地微气候很难通过实地站点观测来进行概貌研究。计算机模拟可以简化干扰条件,减少实地观测的工作量、提高全局预见性,是有效的研究工具。比较而言,气象模拟软件的计算网格尺度较大,因此在微气候的研究中,CFD数值模拟更为适用。但是将CFD作为设计或规划的辅助工具时,不能完全依赖通过CFD技术来寻求答案,而是必须根据设计目标解决关键问题,设置有效的模拟条件、模型、参数,以及控制求解过程。这样的模拟结果,才能科学有效地作为规划或设计的依据。

在本次研究中,为了研究绿地的微气候效应,我们设置的模型强化了绿地的分布,采用了高绿地率、低建筑密度的方案。当前我国的城市建设,尤其是特大城市的建设,普遍开发建设强度大、建筑密度高,在这样的情况下,如何有效发挥绿地作用有待进一步的研究与探讨。图11 Case3近地温度场日分布变化在研究方法上,数值模拟具有一定优势,但还不能完全代替实地的观测研究。实地观测实验的价值一方面可以提供制订模拟程序所需的基本函数关系,另一方面也可以检验多种因素复杂交互作用中模型的缺陷。因此,在下一步的研究中,必须要将实地观测工作结合数值模拟进行验证与反馈。注:文中图片均由作者绘制。

参考文献:

[1] Meyer R. Finding the true value of US climate science[J]. Nature, 2012(1): 133.

[2] Lopes A, Saravia J, Alcoforado M J. Urban boundary layer wind speed reduction in summer due to urban growth and environmental consequences in Lisbon[J]. Environmental Modeling & Software, 2011, 26: 241243.

[3] 冯娴慧,魏清泉.广州城市近地风场特征研究[J].生态环境学报,2011(10):1558-1561.

[4] 冯娴慧.近地面风环境对城市大气质量影响的研究[J].生态经济,2011(5):183-186.

[5] 徐祥德,汤绪.城市化环境气象学引论[M].北京:气象出版社,2002.

[6] Karl T R, Diaz H F, Kukia G. Urbanization: its detection and effect in the United States climate record[J]. Journal of Climatology, 1988(1): 1099-1123.

[7] Kalnay E, Cai M. Impact of urbanization and landuse change on climate[J]. Nature, 2003, 4(23): 528531.

[8] Hamada S, Ohta T. Seasonal variations in the cooling effect of urban green areas on surrounding urban areas[J]. Urban Forestry and Urban Greening, 2010(1): 15-24.

[9] 林焕然,王伟,樊正球,等.近二十年来上海城市不同空间尺度绿地的生态效益[J].生态学报,2011,1(19):5607-5615.

[10] 苏泳娴,黄光庆,陈修治,等.城市绿地生态环境研究进展[J].生态学报,2011,1(23):7287-7300.

[11] Rafiee R, Mahiny A S, Khorasani N. Asessment of changes in urban green spaces of Mashad city using satellite data[J]. International Journal of Applied Earth Observation and Geoinformation, 2009, 11(6): 431438.

[12] 肖荣波,周志翔,王鹏程,等.3S技术在城市绿地生态研究中的应用[J].生态学杂志,2004,23(6):71-76.

[13] 陈莉,李佩武,李贵才,等.应用CITYGREEN模型评估深圳市绿地净化空气与固碳释氧效益[J].生态学报,2009,29(1):272-282.

[14] Edward Ng, Liang Chen, Yingna Wang, et al. A study on the cooling effects of greening in a highdensity city: An experience from Hong Kong[J]. Building and Environment, 2012, 47: 256-271.

[15] Maria Jo, et al. Application of climate guidelines to urban planning: The example of Lisbon(Portugal)[J]. Landscape and Urban planning, 2009, 90(1): 56-65.

[16] Nyuk Hien Wong, Steve Kardinal Jusuf, et al. Integrated urban microclimate assessment method as a sustainable urban development and urban design tool[J]. Landscape and Urban planning, 2011, 100: 386-389.

[17] Shuzo Murakami. Indoor/outdoor climate design by CFD based on the Software Platform[J]. International Journal of Heat and Fluid Flow, 2004, 25: 849-863.

[18] 林波荣.绿化对室外热环境影响的研究[D].北京:清华大学,2004.

(编辑/刘欣雅)

作者简介:

冯娴慧/1977年生/女/云南曲靖人/博士/华南理工大学建筑学院副教授/研究方向为风景园林基础理论与科学研究方法、风景园林微气候规划设计理论与技术、城市雨洪管理设施规划与设计技术、旅游景区规划、展览设计(广州 510642)

褚燕燕/1979年生/女/山东泰安人/中山大学工学院讲师/研究方向为流动及传热的数值模拟、建筑消防技术(广州 510006)

上一篇回2017年4月第4期目录 下一篇 (方向键翻页,回车键返回目录)加入书签

© 2016 毕业论文网 > 基于空气动力学模拟的城市绿地局地微气候效应研究