基于CFD数值模拟的街区微热环境评估方法

基于cfd数值模拟的街区微热环境评估方法
技术领域
1.本发明涉及微热环境评估技术领域，尤其是一种基于cfd数值模拟的街区微热环境评估方法。


背景技术：

2.人类活动所消耗的能量主要以工业热排放、交通热排放、生活热排放等形式进入大气热环境，并在不同时间和空间程度上影响城市热环境。尤其在建筑密度过大城市中心区，通风不畅造成了散热能力较差，人为排热对城市热岛效应的影响不容忽视。人为热是指由人类活动产生的直接排放到低层大气的废热，不仅会对城市微热环境造成影响，还会影响城市的局部气压进而影响降水。人为热主要包括人类新陈代谢所产生的热量和能源消耗后所释放的热量，后者主要由工业活动的能耗、交通燃油的能耗、建筑中的空调能耗组成。人为热随地域的不同差异很大，在城市发达地区的人为热排放量尤其是交通和空调的热排放量远大于发展落后的地区。
3.目前，对街区的微热环境的研究主要采用风洞模拟实验(wind-tunnel testing)、实地测量(on-site measurement)和计算流体力学(cfd)数值模拟三种方式。其中，风洞模拟实验具有实验结果较为准确，但布置繁琐、费用昂贵等缺点；实地测量具有测量数据真实，但测量设备昂贵且难以大面积布置测量点等特点；计算流体力学数值模拟可以提供街区传热和扩散的模拟结果，应用广泛。
4.城市设计中cfd模拟可以为城市微热环境提供可视化的全过程，为系统性、科学性的认识城市风环境和热环境形成规律提供坚实的基础。然而一个大空间尺度的cfd模拟仿真不仅建模、预处理复杂、运行时间长、计算量大、模拟成本高，而且对模拟的准确性也提出了较高的要求。


技术实现要素：

5.针对现有技术的不足，本发明提供一种基于cfd数值模拟的街区微热环境评估方法，目的是提高仿真计算的准确性以模拟出街区实际微热环境，同时降低建模成本和计算量。
6.本发明采用的技术方案如下：
7.一种基于cfd数值模拟的街区微热环境评估方法，包括：
8.统计目标街区的相关数据，将所述目标街区简化成多个分区，计算各分区的综合孔隙率；
9.根据各所述分区内建筑功能特征，确定每个分区内存在的人为热排放类型，计算各分区内各类型人为热排放；
10.将由分区构成的目标街区作为多孔介质区域，建立多孔介质数学模型计算各所述分区的多孔介质参数；
11.建立由分区构成的目标街区的三维几何模型，并进行网格划分，将所述人为热排
放作为热力边界条件，对所述目标街区进行流体动力学仿真计算；
12.对计算结果进行后处理，分析目标街区内风速分布和温度分布，对街区微热环境进行评估。
13.进一步技术方案为：
14.所述目标街区的相关数据包括建筑高度和用地性质；所述将目标街区简化成多个分区具体通过建筑体合并的方法进行，分区后对各分区的建筑高度、建筑密度、建筑形态和用地性质进行统计。
15.所述分区的综合孔隙率通过下式确定：
[0016][0017]
其中，代表综合孔隙率，vi为分区内第i个开敞空间的平均体积，vj为分区内第j个建筑的体积；vi＝πr
i2
li，li为分区内第i个开敞空间的高度，ri为分区内第i个开敞空间的开敞面积的半径，w、h分别为开敞空间内街道的平均宽度、平均高度。
[0018]
所述人为热排放类型包括人类新陈代谢热排放、生活热排放和交通热排放。
[0019]
每个分区的人类新陈代谢热排放量qi按面积权重分配计算：em为活动状态总的人类新陈代谢热排放量，em＝m
p
n，m
p
为每个人的新陈代谢热排放量，n为人口数量；ai为对应分区的面积，a为目标街区总面积。
[0020]
所述生活热排放通过式q＝q
t
qa计算，q为生活热排放，q
t
、qa分别为使用天然气和使用空调所产生的热排放；
[0021]
其中，q
t
＝ng×
1000
×q×
(1-l)，ng表示天然气用量，由户数日均用气量换算；q表示1kg液化石油气的放热量，l表示能源转换率；
[0022]
其中，h
total
表示建筑全热负荷，cop表示空调性能系数，i表示负荷相关系数。
[0023]
所述建立的多孔介质数学模型适用于湍流流动与换热，其中固相与流体相之间的换热通过下式模拟：
[0024][0025]
式中，h表示相间传热系数、α表示比表面积、ts表示固体相温度、tf表示流体相温度、表示孔隙率、q表示单位建筑体积的建筑热源强度。
[0026]
所述多孔介质参数包括粘性阻力系数和惯性阻力系数。
[0027]
所述对街区微热环境进行评估，包括分析以下参数：最大风速、最小风速、平均风速、风速波动、最大温度、最小温度、平均温度和热岛强度。
[0028]
本发明的有益效果如下：
[0029]
本发明采用多孔介质单元模拟目标街区，并不需要对所研究目标街区进行详细建模，而是借助街区与多孔介质的相似性，对目标街区微热环境进行研究。构建多孔介质街区相较于传统cfd建模计算，计算量大大缩减，对于提高模拟速度具有积极意义。
[0030]
本发明对于人为热强度的考虑更准确地模拟出街区实际微热环境，同时能更有针
对性得提出优化改善策略，为城市规划设计者提供街区设计开发及改造更新提供更科学依据。
附图说明
[0031]
图1为本发明方法的流程示意图。
[0032]
图2为本发明实施例的街区的分区划分原则示意图。
[0033]
图3为本发明实施例的数值模拟流程图。
具体实施方式
[0034]
以下结合附图说明本发明的具体实施方式。
[0035]
可参考图1，本技术的一种基于cfd数值模拟的街区微热环境评估方法，包括：
[0036]
s100、统计目标街区的相关数据，将所述目标街区简化成多个分区，计算各分区的综合孔隙率；
[0037]
s200、根据各所述分区内建筑功能特征，确定每个分区内存在的人为热排放类型，计算各分区内各类型人为热排放强度；
[0038]
s300、将由分区构成的目标街区作为多孔介质区域，建立多孔介质数学模型计算各所述分区的多孔介质参数；
[0039]
s400、建立由分区构成的目标街区的三维几何模型，并进行网格划分，将所述人为热排放作为热力边界条件，对所述目标街区进行流体动力学仿真计算；
[0040]
s500、对计算结果进行后处理，分析目标街区内风速分布和温度分布，对街区微热环境进行评估。
[0041]
步骤s100具体包括：
[0042]
首先，选定目标街区，统计目标街区的相关数据包括建筑高度和用地性质等，根据建筑体合并方法对街区进行分区。
[0043]
具体的，为了便于研究，先将街区建筑群按照主导功能进行分类(一般可分为以下几类：居住区、商业区、行政区、混合区等)，逐类进行划分。在分区时将建筑高度相近(高度方差小于3)、形态相似、建筑宽高比小于1且用地性质相近的单体建筑整合到一起，如图2所示。图2中示意出将一排街区进行分区的原则，可按照上述标准将其划分为如箭头所指的三种形式：第一种形式为沿纵向分成三个分区；第二种形式为整体划分为一个分区；第三种形式为沿横向划分为四个分区。实际操作时可根据具体情况进行选择性划分。图中，h表示建筑高度。b表示建筑之间的间距，w表示建筑的宽度。
[0044]
划分好分区后，对各分区的建筑高度、建筑密度、建筑形态和用地性质进行统计。计算各个分区内的建筑密度或/和综合孔隙率。
[0045]
多孔介质的孔隙率是用来描述多孔介质对流体储存能力大小的参数，是有效开敞体积与总体积的比值。由于街区内风向并不与所有街道平行，因此采用综合孔隙率来评价多孔介质对流体的储存能力。分区的综合孔隙率通过下式确定：
[0046][0047]
其中，代表综合孔隙率，vi为分区内第i个开敞空间的平均体积，vj为分区内第j
个建筑的体积；vi＝πr
i2
li，li为分区内第i个开敞空间的高度，ri为分区内第i个开敞空间的开敞面积的半径，w、h分别为开敞空间内街道的平均宽度、平均高度。
[0048]
以上计算的平均体积按照冠层高度来确定。实际，如果分区内建筑高度相似，孔隙率可以简化为“1-建筑密度”来计算。建筑密度sj为每栋楼的占地面积，s为所述分区占地面积。
[0049]
步骤s200具体包括：
[0050]
确定人为热排放类型包括人类新陈代谢热排放、生活热排放和交通热排放。
[0051]
假设各分区的人类新陈代谢热排放、生活热排放这两种热排放源平均分布在街区的各分区内，交通热源按照计算街区范围内道路分布计算。
[0052]
计算各分区内各类型人为热排放强度，包括：
[0053]
(1)每个分区的人类新陈代谢热排放量qi按面积权重分配计算：em为活动状态总的人类新陈代谢热排放量，em＝m
p
n，m
p
为每个人的新陈代谢热排放量，n为人口数量；ai为对应分区的面积，a为目标街区总面积。
[0054]
(2)生活热排放通过式q＝q
t
qa计算，q为生活热排放，q
t
、qa分别为使用天然气和使用空调所产生的热排放；
[0055]qt
＝ng×
1000
×q×
(1-l)，ng表示天然气用量，由户数日均用气量换算；q表示1kg液化石油气的放热量，q＝50179kj/kg，l表示能源转换率，取80％；
[0056]htotal
表示建筑全热负荷，cop表示空调性能系数，i表示负荷相关系数。
[0057]
(3)交通热排放是汽车百里耗油完全燃烧所释放的热量，通过对研究区域的道路车流量统计数据进行分析，按照车型及不同类型机动车耗油来计算热排放量：
[0058]
汽车功率计算：汽车功率(kw)＝汽车耗油(l/km)
×
汽车行驶速度(km/h)
×
汽油热值(kj/kg)
×
汽油密度(kg/l)
×
时间转换系数(h/s)；
[0059]
汽车数量计算：汽车数量(台)＝该区域内道路长度(km)/汽车行驶速度(km/h)
×
车流量(台/h)；
[0060]
汽车排热量计算：汽车热排放量qq(kw)＝汽车的总功率(kw)
×
汽车数量(台)。
[0061]
步骤s300具体包括：
[0062]
建立适用于湍流流动与换热的多孔介质数学模型，将街区模型简化为多孔介质来进行处理，在进行计算机模拟时，可大大降低计算成本高和计算时间。
[0063]
多孔介质数学模型包括质量守恒方程、动量守恒方程和能量守恒方程等控制方程。
[0064]
不可压缩流动的连续性方程为xi表示x，y，z方向；ui表示x，y，z方向上的速度分量。
[0065]
能量方程可略去局部非热平衡能量方程中的固体相方程，只用流体相能量方程来进行描述，两相(建筑物固相与空气流体相)之间的热交换通过下式模拟：
[0066][0067]
式中，h表示相间传热系数、α表示比表面积、ts表示固体相温度、tf表示流体相温度、表示孔隙率、q表示单位建筑体积的建筑热源强度。
[0068]
本技术对于人为热排放的考虑可以更准确得模拟出街区实际微热环境，为城市规划设计者提供街区设计开发及改造更新提供更科学的作证。
[0069]
多孔介质动量方程采用的是表观速度或者物理速度的形式来表示。根本上来说，多孔介质模型的实质是通过在动量方程中添加源项的方法来模拟多孔介质对流体的阻碍作用，源项包括粘性阻力项和惯性阻力项。
[0070][0071]
式中，si为x，y，z三个方向上的动量源项，|v|是速度，d和c是表示源项对多孔区域压降的矩阵。μ表示流体动力粘度；vj是x，y，z方向上的速度；i、j表示参数分别为x，y，z方向上的分量；ρ表示流体密度。
[0072]
对于均匀多孔介质，源项可以表示为：
[0073][0074]
式中，为粘性阻力系数，c2为惯性阻力系数。
[0075]
推导多孔介质参数(粘性阻力系数和惯性阻力系数)，可通过厄根(eugun)公式求解：
[0076][0077]
其中，δp表示多孔介质压降，l表示多孔介质流动方向上的长度，ρ为流体密度，v
∞
表示流速；
[0078]
其中，d
p
是当量直径，k是孔隙率；μ表示流体动力粘度。
[0079]
步骤s400具体包括：
[0080]
(1)建立三维几何模型，根据分区及区域建筑平均高度建立三维几何计算模型。确定模型进风口和出风口方向，并确定计算域的大小。
[0081]
具体的，进风口长度约为建筑高度的5倍，出风口方向长度约为建筑高度的10倍，计算高度约为建筑高度的5倍。
[0082]
(2)对三维几何模型进行网格划分。由于采用多孔介质模型，相对于建筑群模型更为简单，采用六面体网格为主，网格大小选用1-2m，并对地面网格进行加密操作，网格划分时采用渐进的方法逐步提高网格数目。
[0083]
(3)设置边界条件。
[0084]
本实施例中，利用fluent软件为几何模型设置边界条件。街区及其设置的边界条
件包括：
[0085]
热力边界条件，将人为热作为热源，新陈代谢热排放和生活热排放分布于各分区，交通热排放分布于各分区之间的道路路面，热源大小通过给定不同底面边界条件的热流密度来设定，对速度取无滑移边界条件。
[0086]
结合实际风速仪或气象台测定的风速，给定入口边界上的速度垂直分量满足指数型风速轮廓线分布其中，u
zef
为高度为z
ref
处来流平均风速；u
in
为任意高度z
in
处的平均风速，α为地面粗糙系数。
[0087]
出口边界处，由于计算区域足够大，边界条件为充分发展流动，沿流动方向各流动参数的一阶导数为零。
[0088]
前后以及上边界设置为对称边界条件。
[0089]
本技术基于多孔介质理论极大地降低建模及网格划分的工作量。
[0090]
(4)结合单位时间内街区内各人为热源强度与预设的湍流模型，对街区风环境和热环境分布进行数值模拟计算。并采用速度与压力耦合的simplec算法。
[0091]
本实施例对湍流的数值模拟计算做出以下假设：假定街道内流动为定常流动，即流场参数不随时间变化；因为流场速度数量级不大，故可假设流体为不可压缩流体，湍流模型选择rng k-e湍流模型。
[0092]
上述数值模拟计算流程如图3所示。
[0093]
步骤s500具体包括：
[0094]
(1)对计算结果进行后处理，确定多孔介质区域模型的流场和温度场，并将确定的多孔介质区域内的流场和温度场作为目标街区内的流场和温度场。绘制街区内风速分布图和温度分布图，绘制风速和温度廓线图，通过廓线图比较分析不同区域的街区风环境和热环境的具体情况，分析街区内风速分布和温度分布、观察风和温度的垂直结构等。
[0095]
(2)通过温度分布云图，可以分析街区内部人为热排放对街区热环境的影响，其结果可以作为判断城市热岛的重要依据。对街区内微热环境分析主要包括以下参数：最大风速、最小风速、平均风速、风速波动(最大风速与最小风速绝对值的差值)、最大温度、最小温度、平均温度、热岛强度(温度绝对值与环境初始温度差值的最大值)。评估分析街区内微热环境情况并针对街区微热环境提出规划更新时的优化建议。
[0096]
本技术基于多孔介质理论极大地降低建模及网格划分的工作量，对于人为热强度的考虑可以更准确得模拟出街区实际微热环境，可为城市规划设计者提供街区设计开发及改造更新提供更科学的依据。