城市风道潜力模拟-城市风道量化模拟分析与规划设计

1.物理模型建立及计算区域确定

基于前述的建筑体合并的方法，将未来科技城核心发展区规划的建筑群体简化，共划分为19个区块作为多孔介质（见图3-24）。由于计算区域选择的大小会直接影响模拟结果精度，依据3.2.5节关于计算区域确定的原则，本实验区域选择计算区域大小为700m×1000m×130m，收敛的标准为残差曲线平缓，所有变量残值小于10-3。

图3-24　核心区地块划分

2.参数计算

根据公式（3-1），可以计算得出每个地块的黏性系数和惯性阻力系数（见表3-11），为Fluent模拟时备用。

表3-11　各地块黏性系数和惯性阻力系数

续表

根据公式（3-21）至公式（3-23），可以计算得出每个地块的综合孔隙率（见表3-12）。

表3-12　各地块综合孔隙率

续表

3.边界条件设置

风环境模拟需要以杭州市对应时段的风向、风速数据作为模拟的入口边界条件，因此根据杭州市冬冷夏热的气候特征选取了6、7、8月的主导风向以及主导风向的平均风速作为夏季风环境模拟的入口边界条件，选取12、1、2月的主导风向以及主导风向的平均风速作为冬季风环境模拟的边界条件。气象统计资料来自于climate.onebuilding.org网站提供的CSWD格式的气象数据文件，利用Climate Consultant软件进行风速、风向的统计分析，得到杭州市夏季和冬季的风数据统计图和各月平均风速图。如图3-25所示，杭州市夏季主导风的风向应为西南风（WS），冬季主导风风向为北风（N）。从图3-26可以看出，杭州市夏季风主导下的平均风速约为2.2m/s，冬季风主导下的平均风速约为2.15m/s。

图3-25　杭州市夏季、冬季风数据统计图

图3-26　杭州市各月平均风速图

4.模拟结果与分析

为了进一步验证所建立的多孔介质模型的合理性与科学性，在研究区内选择9个实测点，主要布置在东西大道、文一西路、文二西路等城市主干道以及绿汀路、良睦路等城市次干道上。观测仪器为9台AR856风速仪；观测时间为2019年3月17日上午10：50—11：00，每次测试的时间为10分钟，每隔1秒钟记录一次数据。具体布点位置如图3-27所示。将模拟后所在点的风速值与实际观测所测得的9个测点的风速值进行对比验证。

图3-27　实例观测点布置图

根据观测数据统计道路风速值（见表3-13），可以看出其中测点1、2、3、4、7、8的风速值明显大于测点5、6、9的数值。由现状土地利用图（见图3-28）可知，这是由于这些区域现状基本为空旷的工地，未建成高密度的居住、商业区。

表3-13　实例实测方案观测风速(https://www.xing528.com)

图3-28　实例区域土地利用现状图

图3-29　各观测点1.5m处模拟风速值

将多孔介质模型模拟出的风速与观测值进行对比，由图3-29、图3-30和表3-14、表3-15可以看出，数值模拟计算的风速值与现场观测的风速值在趋势上基本吻合，但现场观测值比数值模拟的结果相对大一些。R2=0.011，拟合的效果不好，主要原因在于现场观测时场地内基本为空旷地，建筑物稀疏、密度低，而模拟所建的模型是规划后的场地，因此在建筑高度和建筑密度上都与现状情况存在较大的差别。在对比两个风速值的时候，可以认为多孔介质模拟的风速值与现场观测的风速值趋势一致，模型检验的效果较好。

图3-30　模拟值与观测值趋势对比图

表3-14　多孔介质模拟风速

表3-15　观测点风速

（1）夏季核心区风环境整体空间分布特征

以主导风向为西南风的平均风速作为入口边界风速，模拟夏季，未来科技城核心区范围内高1.5m处（行人高度）和10m处的风速分布云图见图3-31。依据Soligo等提出的机械舒适度的准则，石邢等在考虑了人的不同状态下，提出了修正后的机械舒适度评价准则（见表3-16）^[44]。对照表3-16，夏季最大风速为4.81m/s，不超过5m/s。其整体平均风速都小于舒适度的最大限值，基本不会造成行人的不舒适感，对人的正常活动基本不会产生影响。

图3-31　不同高度未来科技城核心区夏季风速分布云图

表3-16　机械舒适度评价准则

总体来看，高1.5m处的整体风速均较小，较大风速分布区主要在北侧和西南侧，可以达到2m/s，主要是因为入风口的区域风速会比较大；其次，城市主要道路处的风速相对其他部分的风速较大，在0.5～1m/s；另外，可以看出文一西路和文二西路之间有一个风速高值区，这主要是受到梯度风的影响。由于未来科技城北侧建筑高度较高，当夏季盛行风吹向北侧的高层建筑时，建筑体的迎风面会形成下行风，与沿着文一西路的西风合流形成角流区（见图3-32）。而风速云图的右侧部分主要被深色覆盖，说明该处的风速较小，主要是由于高层建筑的阻挡影响较大，并且高1.5m处的风速还受到树木的阻挡（见图3-33（a））。而在高10m处的，在一定程度上，高度越高，风速就越大，整体的风速比高1.5m处的风速大（见图3-33（b））。核心区的东南部由于地处湿地周边，布局的建筑群体都是建筑高度、建筑密度较小的，由于来流风在城市内部道路、建筑、植被等的作用下发生转向变为西风，在夏季未来科技城西侧的建筑布局尤为重要。

图3-32　未来科技城核心区建筑高度分布

图3-33　不同高度未来科技城核心区冬季风速分布云图

（2）冬季核心区风环境整体空间分布特征

冬季以主导风向为北风的平均风速作为入口边界风速模拟，未来科技城核心区范围内高1.5m处（行人高度）和高10m处的风速分布云图如图3-33所示。总体来看，冬季风速最大为3.42m/s，不超过4m/s。杭州冬季气候寒冷潮湿，较大的室外风速不利于给行人提供舒适的环境与感受，但较小的室外风速会使得城市内部的污染物无法向外扩散，导致其滞留在城市中，容易引起呼吸道疾病。

从高1.5m处的模拟风速分布云图（图3-33（a））可知，整体风速状况与夏季相似，数值均较小。而高10m处的模拟风速分布云图（图3-33（b））显示整体的风速情况比1.5m处相对较大。由于冬季盛行西北偏北风，风速较大的区域位于核心区的北部，且冬季主导风从北部进入核心区，与道路、河流走向几乎呈平行状态，风速大小处于0.8～1.0m/s，通风状况较其他季节好，在一定程度上，建筑高度越高，其风速也越大。这也与不同的功能区相关。例如，风速较大的区域为核心区的中心城区，作为商务服务中心，相应的建筑高度和建筑密度也会与周边的居住区和研发中心有明显的差别，使其建筑迎风面积密度较高。同样，南部的湿地区块仍然由于北部高层建筑的遮挡导致风速下降很快，风速较低。