phoenics含地形的室外环境模拟

收稿日期：2022-01-04作者简介：胜兴（1985-），男，辽宁沈阳人，高级工程师，硕士。

基于CFD 的校园室外风环境模拟分析和优化设计胜兴1，崔洁1，季爱宇2，李晖1，刘宇昕1（1.沈阳工程学院能源与动力学院，辽宁沈阳110136；2.辽宁长鑫工程技术有限公司，辽宁开原112300）摘要：针对某大学校园的室外风环境问题，建立校园内建筑的三维计算模型，通过PHOEN ‐ICS 软件确定合理的计算区域、网格划分及边界条件，利用模型算法对夏季和冬季的校园风环境分别进行模拟计算。

根据模拟结果，探讨校园内存在的风环境问题及形成的原因，结合相关的评价标准及行人的舒适度对室外风环境做出评价，总结该高校校园的风环境特征，从校园整体布局、建筑群布局优化、建筑单体设计等方面提出优化风环境的策略，为校园的建设和规划提供参考和借鉴。

关键词：校园建筑；CFD 模拟；室外风环境中图分类号：TU119文献标识码：A文章编号：1673-1603（2023）03-0001-05DOI ：10.13888/ki.jsie （ns ）.2023.03.001第19卷第3期2023年7月Vol.19No.3Jul.2023沈阳工程学院学报（自然科学版）Journal of Shenyang Institute of Engineering （Natural Science ）风环境作为室外影响人体舒适度的重要因素之一［1-2］，已经受到业内诸多学者的关注。

目前，研究室外风环境的方法主要有3种：实地测量、风洞试验及使用计算流体力学（CFD ）技术对流场进行模拟。

张泽超等［3］利用HYBPA2019软件，对某住宅区室外风环境进行了模拟研究，得到了该小区冬夏两季的风速、风压及空气龄数值。

单雅琪［4］利用ENVI-met 模拟了布局模式在高层住宅园区内的冬季风环境情况，分别从风速值和风速变化比两个方面分析了建筑周围的风环境，得出了高层建筑园区内的不同布局形式对建筑室外的风环境的影响。

1492022.06 / Architectural Design and Theory 建筑设计·理论是高校兴起了扩建、新建的热潮，许多学校都有着两座甚至三座图书馆，高校图书馆数量迅速上升。

高校图书馆体量是高校建筑群中较大的建筑，建筑利用率高，设备能耗大。

因此，研究寒冷地区高校图书馆的室外风环境，对于改善寒冷地区高校图书馆的学习环境舒适度、节约建筑能耗和可持续发展具有重要意义。

本文运用了phoenics 风环境模拟软件对太原理工大学明向校区整体风环境和图书馆场地风环境进行了模拟，并运用vent2020软件进行了室内风速和风压的模拟。

2项目概况太原理工大学明向校区图书馆（见图1）建于2015年，位于晋中市榆次区大学城。

该图书馆位于校园中轴线上，将校园分为了南区和北区。

图书馆南面初期设计为水景，北面为面积较大的广场。

图书馆东侧为校史馆，西侧为学校专业教学楼。

图书馆建筑总用地面积为40 869.72 m 2，建筑占地面积为9 957.83 m 2，总建筑面积为摘要 随着我国经济的快速发展和城市化进程的加快，人们对于建筑环境舒适度和建筑环境品质的要求不断提升。

为了避免建筑布局等原因导致的建筑风速过快，从而使建筑环境舒适度下降，必须运用计算机模拟技术对高校图书馆建筑室外风环境和室内通风环境进行模拟，这是在建筑设计时必须考虑的因素之一。

本文运用phoenics 风环境模拟软件对建筑室外风环境进行了模拟，运用vent2020软件对建筑室内通风环境进行了模拟，为初次使用风环境模拟的人员提供了一些参考依据。

关键词 高校图书馆；建筑风环境；计算机模拟；室内通风中图分类号 TU242.3；TU831.1 文献标识码 ADOI 10.19892/ki.csjz.2022.06.40Abstract With the rapid development of urbanization and economy in China, people’s requirements for the comfort and quality of the built environment are constantly improving. In order to avoid excessive building wind speed caused by building layout and other reasons, which decreases the comfort level of the building environment, it is required to use computer simulation technology to simulate the indoor ventilation environment and outdoor wind environment of the libraries in the colleges and universities, which is one of the factors that must be considered in architectural design. In this paper, PHOENICS wind environment simulation software is used to simulate the outdoor wind environment of the building, and Vent2020 is used to simulate the indoor ventilation environment of the building. It provides some reference basis for the personnel that have used wind environment simulation for the first ti me.Key words university library; building wind environment; computer simulation; indoor air ventilation1引言我国自2000年以来，各高校持续扩招，规模不断扩大，老旧校区教学楼、图书馆容量不能满足现今师生需求。

某小区项目室外风环境模拟分析报告（模板）项目名称：委托单位：咨询单位：设计单位负责人：审核人：编制人：报告日期：20XX-10-10目录1模拟概述 (1)1.1项目概况 (1)1.2风环境简述 (1)1.3参考依据 (3)1.4评价说明 (3)2技术路线 (4)2.1分析方法 (4)2.2湍流模型 (5)2.3几何模型 (7)2.4参数设置 (8)2.5气候状况 (10)3 模拟结果分析 (11)3.1夏季及过渡季 (11)3.2冬季 (15)4 结论 (19)1模拟概述1.1项目概况本工程位于XX市XX街道XX北路以东、新北路以北，地理位置优越，交通便利。

拟建10栋高层住宅、商业及配套用房，地下非机动车库及地下机动车库。

该地块总用地面积为20万m2，总建筑面积15万m2，计容面积2万m2，总建筑占地18万m2，容积率2.2，建筑密度30.3%，绿地率25.3%。

1.2风环境简述建筑群和高大建筑物会显著改变城市近地面层风场结构。

近地风的状况与建筑物的外形、尺寸、建筑物之间的相对位置以及周围地形地貌有着很复杂的关系。

在有较强来流时，建筑物周围某些地区会出现强风；如果这些强风区出现在建筑物入口、通道、露台等行人频繁活动的区域，则可能使行人感到不舒适、甚至带来伤害，形成恶劣的风环境问题。

在一般的气候条件下，他们直接影响着城市环境的小气候和环境的舒适性；一旦遇到大风，这种影响往往会变成灾害，使建筑外墙局部的玻璃幕墙、窗扇、雨棚等受到破坏，威胁着室内外的安全。

建筑合理布局是改善室外行人区热舒适的关键；主要是避免在寒冷冬季室外行人区风速加速（西北风情况下），如风巷效应，同时在与西北风垂直方向最好增加裙房，加大底座尺寸，避免冲刷效应和边角效应等，如图2所示。

调查统计显示：在建筑周围行人区，若平均风速V>5 m/s的出现频率小于10 %，行人不会有什么抱怨（在10 %大风情况下建筑周围行人区风速小于5 m/s，即可认为建筑周围行人区是舒适的）；频率在10%～20%之间，抱怨将增多；频率大于20 %，则应采取补救措施以减小风速。

Phoenics简介Phoenics是世界上第一套计算流体与计算传热学商业软件，它是国际计算流体与计算传热的主要创始人、英国皇家工程院院士D.B.Spalding教授及40多位博士20多年心血的典范之作。

Phoenics是Parabolic Hyperbolic Or Elliptic Numerical Integration Code Series 几个字母的缩写，这意味着只要有流动和传热都可以使用Phoenics来模拟计算。

除了通用计算流体/计算传热学软件应该拥有的功能外Phoenics有着自己独特的功能。

Phoenics 主要特点1、开放性：Phoenics最大限度地向用户开放了程序，用户可以根据需要任意修改添加用户程序、用户模型。

PLANT及INFORM功能的引入使用户不再需要编写FORTRAN源程序，GROUND程序功能使用户修改添加模型更加任意和方便。

In-Form：用户接口功能，完成用户数学表达式的输入，IF判断等功能。

方便了用户控制自定义的边界条件、初始条件、材料物性等参数的输入。

2、CAD接口：Phoenics可以读入任何CAD软件的图形文件。

Shapemaker：三维造型功能。

3、MOVOBJ：运动物体功能可以定义物体运动，避免了使用相对运动方法的局限性。

4、大量的模型选择：20多种湍流模型，多种多相流模型，多流体模型，燃烧模型，辐射模型。

5、提供了欧拉算法也提供了基于粒子运动轨迹的拉格朗日算法。

6、计算流动与传热时能同时计算浸入流体中的固体的机械和热应力。

7、VR（虚拟现实）用户界面引入了一种崭新的CFD建模思路。

8、PARSOL（CUT CELL）：PHOENICS独特的网格处理技术，特别对于CAD图形的导入，网格能自动生成。

9、软件自带1000多个例题，附有完整的可读可改的原始输入文件。

10、Phoenics专用模块：建筑模块（FLAIR）电站锅炉模块（COFFUS）11、自动收敛控制：无论输入参数是否充分和一致，都能保证结果具有较好的收敛效果。

1、 CAD下建立模型CAD模型要求：（1）三维实体模型；（2）在第一象限（或建立模型后移动到第一象限）；（3）STL格式输出。

建立如附件的CAD模型“三维实体总图（南区）.dwg”，输出“三维实体总图（南区）.stl”2、打开PHOENICS-VR,进入phoenics;Files;Start new case;Flair(调入CAD模型,按下面操作)OBJObjectNewNew ObjectShapeSTL File浏览找到：三维实体总图（南区）.stlOKThe size from Geometry file 改成 YESGeometry scaling factor 输入：0.001 （备注：CAD是mm单位，phoenics是 m 单位）OK调整PHOENICS-VR窗口（下面在PHOENICS下建立模型）MenuGeometryDomain size 1128 , 994 , 200APPLYOK鼠标选中建筑物模型（下面将建筑物移动到计算区域中间）PositionX:282Y:249ResetFit to windows (适合窗口)Nearest head on （正视窗口）OK下面建立边界条件ObjObjectNewNew objectType 里面选取 WINDAttributesWind speed 4.5Reference high 10Wind direction 45Profile type power lawInclude open sky YESOkOk(备注：以上操作主要设置了下面内容，东北风（45度）10米高的速度，选用了指数来流速度分布，天空的速度也是按指数来流速度计算出的，同时你也可以选取度面的粗糙度)现在已经可以计算，不过在计算前先检查一下网格，缺省设置的网格太粗，需要加密。

MenuGeometryX-auto Y-auto Z-auto 鼠标点击改变成X-Manual Y-Manual Z-ManualX-directionFree allOkY-directionFree allOkZ-directionFree allOkNumber of cells 60 60 20ApplyOkSourcesGravitational forces offPropertiesThe current domain material is 选择 gas 里面的 0号物性OkNumersTotal number of iterations 1500OuputMonitor-cell locationProb position500 500 5 (设置监视点位置)Top MenuOk模型建立结束RunSolverOk计算结束以后进入后处理RunPoster processorVR-viewerOk可以看速度、压力等矢量、标量图，画流线可以作出动画。

1引言随着城市化和科学技术发展进程的加快,土地开发与地下空间的充分利用成为城市立体发展的新途径。

因此,各种功能复杂、布局多样、规模庞大的地下空间开始大量兴建,同时也引发了人们对地下空间自然通风的关注和研究[1]。

地上、地下空间环境截然不同,地下空间极为封闭,由于是采用挖掘方式建造,对外界的自然资源(光、空气等)的引入不够灵活,因此环境封闭、自然光线与空气流通都较差,使得地下空间空气质量恶化,致使微生物污染和呼吸道传染疾病的传播,使人体感觉不舒适[2]。

目前,地下通风主要靠机械通风实现,但通风设备的能耗远高于地面通风能耗。

并且随着地下空间的不断发展,对建筑的空间形态及地下室内环境舒适性提出更高的要求,人们开始越来越多地关注地下空间的环境品质,其中,通风环境是影响地下室内环境品质的一个重要因素。

地下空间的建筑在绿色建筑发展过程中仍存在诸多问题,尤其在通风品质与环境方面值得深入探讨。

2地下空间自然通风研究1983年,我国出版了第一部关于指导地下建筑暖通设计的指导性手册《地下建筑暖通空调设计手册》。

2012年,吴正旺等[3]提出小区地下车库社会化策略,建议车库利用天井、庭院、斜坡等景观改善通风。

西南交通大学顾珍等[4]应用Phoenics软件数值模拟得出均匀布置的送风口可改善地下车库内的通风环境。

李珂[5]利用CFD软件实验模拟,综合下沉高度和宽度等因素得出下沉式庭院下沉高度为5m具有最佳的通风效果。

而国外关于通风的研究较早,FracastoroGV采用CFD方法,研究了不同室内外温差、窗户高度下室内垂直温度分布、通风量及室内温度随时间变化的规律。

Letan实验和CFD模拟研究了垂直管道中由自然通风产生的多层建筑被动式通风系统。

Lomas分析计算了通风井作为建筑被动式自然通风的效果。

关于对地下空间自然通风的应用研究,其实践比理论先行,综合国内外的研究发现,理论探究还有待深入和科学量化分析。

3通风井由于自然通风是依靠风压或热压形成自然空气流动,气基于Phoenics的大型地下空间自然通风仿真分析研究Simulation Analysis of Natural Ventilation in Large UndergroundSpace Based on Phoenics方雷，王礼飞，孙贤阳（安徽省城建设计研究总院股份有限公司，合肥230051）FANG Lei,WANG Li-fei,SUN Xian-yang(Anhui Urban Construction Design Institute Corp.Ltd.,Hefei230051,China)【摘要】针对地下空间特殊的环境特点与空间特征，以位于合肥市经开区的某建筑东广场（地下建筑）作为研究对象，探讨不同形式的通风井，利用Phoenics软件分析井壁深度、井壁倾斜角对自然通风效果的影响，得出较合理的通风井井壁深度和井壁倾斜角。

住宅小区迎风面积比及架空率设计研究——基于室外风环境优化刘晓群【摘要】合理地利用自然通风,可以降低耗能,改善室内空气品质.文章分析了自然通风的主要影响因素,采用PHOE-NICS作为工具,研究了某典型住宅小区的迎风面积比、架空率等规划设计参数对室外风环境的影响,并提出了住宅小区室外风环境优化设计时的迎风面积比、架空率的取值范围.【期刊名称】《福建建筑》【年(卷),期】2017(000)001【总页数】4页(P9-12)【关键词】风环境;住宅小区;PHOENICS;迎风面积比;架空率【作者】刘晓群【作者单位】福建建工集团总公司福建福州350025【正文语种】中文【中图分类】TU201.5在建筑室外环境的舒适度中，建筑室外风环境是一个重要的组成部分，是判定小区建筑规划优劣的主要指标之一，若能够合理地利用自然通风，可以降低建筑能耗、改善室内空气品质等［1］。

由于自然通风的实现是一种依赖于建筑设计的被动式方法，因此其应用效果很大程度上依赖于建筑的朝向、平面布局等因素。

由于自然通风在实际应用中的众多不确定性，目前关于自然通风在建筑中的应用研究仍主要集中在对技术理念的研究，而对于具体的应用效果缺乏相关的具体数据说明［2］。

所以，在自然通风优化设计方面进行研究，得出规划布局参数与自然通风效果的一般规律是很有必要的。

强调居住区良好的自然通风主要有两个目的:一是为了改善居住区热环境，增加热舒适感，体现以人为本的设计思想;二是为了提高空调设备的效率，因为居住区良好的通风和热岛强度的下降可以提高空调设备的冷凝器的工作效率，有利于节省设备的运行能耗［3］。

住宅小区是现代建筑群的主要形式之一，小区所处的地形地貌、建筑群布局方式、建筑体型、建筑间距、风向角等对室外风环境有着重要的影响。

此外，由于自然通风设计不合理引发的问题也很常见，比如:高大建筑周边会出现局部风速增大、产生涡流等情况，将对行人造成不适感，甚至危及行人安全;而高层建筑密集的区域，由于建筑布局不当或体型设计不合理会导致涡流和气流死区，影响建筑群内的通风、污染气体的排出和夏季的散热［4］。

0 引言建筑室外风环境对行人舒适度和降低建筑能耗有重要的影响。

习近平总书记强调：“规划科学是最大的效益，规划失误是最大的浪费，规划折腾是最大的忌讳。

”高校作为一个体量庞大的建筑群，应科学规划，充分利用自然通风，改善区域的微气候，形成丰富的空间环境，同时也能营造舒适风环境。

因此，在规划设计阶段对高校建筑群进行风环境模拟分析，为校园规划提供参考和建议具有十分重要的意义。

目前研究风环境的方法主要有实地检测法、风洞模型试验法和计算机模拟法。

但由于实地检测法和风洞模型试验法耗费巨大的财力和物力，且随着CFD 技术的进步，成为当今计算机风环境模拟的主要方法。

CFD 是计算流体力学（computational fluid dynamics）的简称，利用计算机快速的计算能力得到流体控制方程的近似解，有着操作简便、造价低、可控性强、精度高等特点[1]。

市面上较为常用的CFD 模拟软件有PHOENICS、VENT、FLUENT、AIRPARK 等。

近年来，越来越多规划学者开始关注风环境，将其作为衡量居住环境的重要因素。

如胡春等人运用AIRPAK 软件对合肥市某高层住宅的两套规划方案进行风环境模拟，继而从风环境视角指导居住区建筑布局设计[2]；张梓霆等人运用PHOENICS 软件模拟分析夏季和冬季青岛市城阳区人民医院室外风环境，研究绿化布局和绿化模式对医院室外风环境的影响[3]；张仕奇等人采用ANSYS 摘要 在全球气温持续升温和新冠疫情背景下，自然通风和空气品质的保障尤为重要。

高校拥有一个庞大的建筑群，规划师更应重视校园风环境设计，营造良好的风环境可以使学生更为舒适地进行户外活动，夏季凉爽，冬季御寒保暖，以及便于污染气体的排出，同时还能减少对能源的需求和对环境的破坏。

文章采用PHOENICS 软件对安徽航空职业技术学院进行风环境模拟分析，从总体布局、建筑单体和场地环境三个方面提出提高室外人体风环境舒适度的策略，希望对构建绿色校园提供一定的参考价值。

带有地形信息的室外环境模拟目前，有越来越多的建筑是临山而建，我们的CAD图纸中，不仅有建筑的设计信息，还会加入一定的高程信息或者山脉的等高线信息。

由于山体的属性较为复杂且对环境的影响较大，如果简单的将山体视为一个实体置入PHOENICS进行计算，会使影响室外热环境的准确性。

为了使模拟结果与实际情况更为吻合，我们可以讲山体分解为下垫面（土壤层）与表层（植被层）两个部分，分别定义属性参数从而计算。

具体操作方法如下：一、 模型建立1.地形信息项目CAD中的地形信息以等高线的形式给出，其处理方式有3种：（1） 通过三角形网格较真实的反应地貌，输出格式为.STL，可由PHOENICS直接读取。

（2） 根据等高线以梯田的方式逐层拉伸，可输出格式有.dwg、.3ds，可由PHOENICS 直接读取。

（3） 使用sketch up中的地图获取功能，构建地形实体，输出格式.3ds，可由PHOENICS 直接读取。

第一种方法的三角形网格精度高,可以较好的捕捉山体实际地貌，适用于对山体形状要求高的项目模拟；第二种方法建立的山体表面为阶梯状，工作量大且与实际地貌不符；第三种方法构建的实体连续性较好，便于修改并支持分块导出，在实际建模中较常用到。

2.运用sketch up建立地形使用sketch up中自带的Google earth功能得到带有地形信息的地形图片，然后使用沙盒拉伸并处理成实体块。

需要注意的是，这里需要建立2个地形实体块，即下垫面（土壤层）与表层（植被层）。

（1） 收集地形的坐标信息：经纬度、就进城市或山脉名称。

（2） 添加地理位置：sketch up中文件——地理位置——添加位置根据地形的坐标信息选取需要的地形，如本工程地块位于北纬28°29′，丽水市西北郊区，花街西面约300米左右，现绕城公路以北的地块上，毗邻白云山。

添加位置中定位并选取适当区域后，点击抓取，则该地形以带有地形信息的图片格式读入了sketch up中。