多尺度城市风环境特性的CFD数值模拟与实验研究

AJ ACDEMIC ARTICAL ISSUE由于数值模拟相当于在计算机上做实验，相比模型实验方法具有周期较短，成本低等特征，并可以用较为形象和直观的方式将结果展示出来（图４）。

本文采用数值分析的方法对小区内的空气流动情况作出初步的数值模拟，以对该建筑小区内的风环境作出分析和评价。

流体流动的数值模拟即在计算机上离散求解空气流动遵循的流体动力学方程组，并将结果用计算机图形学技术形象直观地表示出来，这样的数值模拟技术就是所谓的计算流体动力学（ＣＦＤ：Ｃｏｍ－ｐｕｔａｔｉｏｎａｌ　Ｆｌｕｉｄ　Ｄｙｎａｍｉｃｓ）技术［４］（图５）。

该技术从１９７４年以后大量应用于制造业领域。

但近年来研究者将ＣＦＤ技术应用于建筑环境的模拟研究工作，到目前为止虽然还没有得到深入和普及的应用，但已经取得了很大的发展。

本文采用ＣＦＤ软件（Ａｉｒ－ｐａｋ）进行ＣＦＤ技术分析，该软件主要采用多种求解方法和多重网格加速收敛技术，因而能达到最佳的收敛速度和求解精度［５］。

Ｆｌｕｅｎｔ　Ａｉｒ－ｐａｋ是面向工程师、建筑师和设计师等专业领域工程师的专业人工环境系统分析软件，特别是ＨＶＡＣ２　建造中的同济设计中心Ａ楼３　风洞模拟实验４　计算机模拟５　数值计算技术领域。

它可以精确地模拟所研究对象内的空气流动、传热和污染等物理现象，并且可以准确地模拟通风系统的空气流动、空气品质、传热、污染和舒适度等问题，并依照ＩＳＯ　７７３０标准提供舒适度、ＰＭＶ、ＰＰＤ等衡量室内空气质量（ＩＡＱ）的技术指标。

２ 模拟分析２．１ 外部环境上海地理位置为：东经１２１°４’，北纬３１°２’（图６），平均海拔高度７ｍ，时区：东８区，同济新村位于上海市杨浦区，通过Ｅｃｏｔｅｃｔ软件气象数据查询，我们可以得到上海地区的全年气象数据（图７、８）。

图７中从上往下的第１条线为全年最高温度分布曲线、第２条线为全年平均温度分布曲线、第３条线为全年最低温度分布曲线、第４条线为全年每日早上９时的相对湿度分布曲线、第５条线为全年每日下午３时的相对湿度分布曲线。

基于计算流体力学的建筑风环境数值模拟研究随着城市化进程的加快，越来越多的建筑物在城市中涌现。

建筑物的设计需要考虑到很多因素，如功能、美观、安全等。

然而，一个被忽视的因素是建筑的风环境。

一个好的风环境可以提高建筑的舒适度，也可以减小建筑的能耗。

因此，建筑风环境的研究变得越来越重要。

建筑风环境的研究可以通过实验室试验和数值模拟的方法。

实验室试验可以得出一些定量的数据和直接的观察结果，但是实验室试验的成本很高，而且试验环境和实际环境之间存在差异。

因此，数值模拟成为了一种低成本、高效率的研究方法。

随着计算机技术的快速发展，计算流体力学（Computational Fluid Dynamics，CFD）成为了建筑风环境数值模拟的主流方法。

计算流体力学是一种计算流体的数值模拟方法，它基于纳维-斯托克斯方程和其它物理规律，将流场离散化成格点，对每个格点上的流场变量进行求解。

计算流体力学在建筑风环境数值模拟中的应用主要包括三个方面：建筑外围流场模拟、建筑内部流场模拟和建筑能耗模拟。

建筑外围流场模拟是指对建筑周围流场的模拟。

这个模拟中需要考虑到建筑形状、位置和风的方向和大小等因素。

通过计算建筑周围流场的速度和压力等参数，我们可以了解在风场中建筑所受的力和压力分布。

建筑外围流场模拟对于建筑的结构设计非常重要，可以为建筑提供优化的设计方案，例如缩短建筑的轮廓线、平衡建筑的表面压力分布。

建筑内部流场模拟是指对建筑内部流场的模拟。

这个模拟中需要考虑到建筑内部的空气流动、换气量和温度等参数。

通过计算空气流速、压力以及温度分布等参数，我们可以了解建筑内流场的情况和建筑内部区域的舒适度。

建筑内部流场模拟和建筑外围流场模拟相比更为复杂。

因为建筑内部流场的计算需要考虑到建筑内的门窗位置、空调设备、人员和物品等因素。

尤其是对于高层建筑，建筑内部流场模拟更为关键，因高层建筑内的温度、湿度与空气品质等因素影响舒适度和安全性。

建筑能耗模拟是指对建筑内部能耗的模拟。

CFD在城市微气象模拟及优化规划中的应用研究随着全球城市化进程的加速，城市微气象模拟及优化规划成为现代城市规划中不可或缺的部分。

计算流体力学（CFD）作为一种先进的数值模拟方法，已经被广泛应用于城市微气象领域，为城市规划师、建筑设计师和环境工程师提供了强有力的工具和技术支持。

本文将探讨CFD在城市微气象模拟及优化规划中的应用研究。

城市微气象模拟是一项重要的任务，可以帮助我们理解城市内的热量和气流的分布规律，为城市规划和建筑设计提供科学依据。

传统的实地测量方法受到人力和场地限制，无法全面准确地反映城市内的气象变化。

相比之下，CFD模拟可以模拟城市的各种复杂气象现象，并提供详细的空间分辨率，使得研究者能够更全面地了解城市内气象变化的规律。

首先，在城市热岛效应研究中，CFD模拟可以模拟城市内建筑物和街道的热辐射和传导过程，并对整个城市的热分布进行准确预测。

通过在模拟中引入不同建筑密度、绿地覆盖率和城市布局的场景，研究者可以评估不同应对措施对城市热岛效应的影响。

这一研究可以为城市规划师提供科学依据，指导城市热岛效应的缓解和城市的绿化发展。

其次，CFD模拟还可以用于城市风环境研究。

城市中建筑物和街道的布局会对风场产生复杂的影响，导致局部气流变化和辐射热量的分布不均。

通过模拟城市内的气流变化，研究者可以识别出对风速和风向有重要影响的因素，并提出相应的优化措施。

例如，合理设计建筑物的形状和高度，可以改善城市内的通风和空气质量，提高人们的舒适感。

此外，CFD模拟还可以应用于城市空气质量的评估和改善。

城市空气污染是当今社会面临的严重问题之一，而城市微气象模拟可以帮助研究人员确定污染物的扩散和浓度分布。

通过模拟不同气象条件下的污染物传输过程，研究者可以评估风速、风向和建筑物布局对空气质量的影响，并提出针对性的治理建议。

这对于城市规划师和环境工程师来说具有重要意义，可以为城市的空气质量改善提供决策支持。

最后，CFD模拟还可以用于评估城市内的热舒适性和能源利用效率。

城市空气质量空间分布特征的数值模拟研究随着城市化进程的不断加速，在城市中生活的人们经常面临着空气质量不佳的问题。

尤其是在一些大城市中，人们可能会经历雾霾天气，空气污染给人们带来很大的健康隐患。

因此，了解城市空气污染的分布特征，对于城市管理和环境保护至关重要。

在这篇文章中，我将介绍一些关于城市空气质量空间分布特征的数值模拟研究。

一、城市空气质量的影响因素城市空气质量的主要影响因素包括工业排放、交通运输、建筑施工、生活活动等多个方面。

这些活动会排放大量的废气和颗粒物，形成空气污染。

在城市中的不同地区，这些影响因素的强度有所不同，因此城市的空气质量空间分布存在差异。

二、空气污染物的扩散模型为了研究城市空气质量的空间分布特征，科学家们利用数学模型进行了研究。

在这个数学模型中，考虑到空气污染物在大气中的扩散和输送，也考虑到了影响空气质量的因素。

数学模型中常用的一个方法是拉格朗日微观模拟，它是基于数学和物理的对工况下交通污染扩散影响的一个模拟方法。

通过模拟车辆和行人的运动轨迹等参数，结合一定的空气传递模型，可以预测某个特定地区的污染浓度分布。

同时，还有基于格点模型、质量守恒模型等方法进行研究指导。

其中格点模型也被广泛运用到空气质量研究中，该模型将城市空间划分成网格，污染物在不同的空间格点上的扩散可以通过数学计算模拟。

三、数值模拟研究的应用通过数值模拟研究，可以了解城市中不同地区的污染物浓度分布情况，进而分析出城市空气质量的空间分布特征。

这些研究可以帮助城市规划师，政府部门以及企业制定更科学的环保和污染治理政策，减轻空气污染对人们健康的威胁。

同时，数值模拟研究还可以帮助人们了解城市中污染物扩散的规律。

例如，研究结果可以揭示在特定的天气条件下，城市中哪些区域污染物更容易积累，哪些区域更容易扩散。

对于采取科学的防护措施，以及更合理地规划城市布局，都会有非常大的帮助。

四、数值模拟研究的局限尽管数值模拟研究可以提供对城市空气质量空间分布特征的深入理解，但它也存在一些局限。

CFD技术在我国城市气候环境微尺度问题中的应用李磊;胡非;刘京【摘要】从城市风环境、热环境及空气污染等多个方面回顾了计算流体力学(computational fluid dynamics,CFD)技术在我国城市气候环境微尺度问题有关研究中的应用.通过回顾可发现,当城市气候环境研究着眼于城市街区尺度和城市冠层内部时,CFD可充分发挥其描述复杂几何形体的能力,给出街区内部的热力、动力以及物质扩散的细节,具有中尺度模式难以比拟的优势.我国在本领域的研究起步较晚,但近二十年来由于高速城市化进程所激发的强烈需求而发展迅速,已有大量研究在此领域开展并取得成果.未来随着高性能计算机计算能力的逐渐提高,CFD有望在大气环境质量预报、机场风切变预报以及风能评估等多个领域中投入业务应用.【期刊名称】《气象科技进展》【年(卷),期】2015(005)006【总页数】8页(P23-30)【关键词】计算流体力学;城市气候环境;微尺度【作者】李磊;胡非;刘京【作者单位】深圳市气象局深圳市国家气候现象台,深圳 518040;中国科学院大气物理研究所大气边界层物理与大气化学国家重点实验室,北京 100029;哈尔滨工业大学市政环境工程学院,哈尔滨150001【正文语种】中文近30年来，我国经历了快速的城市化进程，根据中国社会科学院发布的《城市蓝皮书：中国城市发展报告》，2011年我国城镇人口已达到6.91亿人，城镇化率达到了51.27%。

快速的城市化进程，对我国城市气候和环境造成了明显的影响，为缓解城市化在气候环境方面的不利影响，为政府决策部门提供科技支撑，近年来国内在城市气候环境科学领域展开了大量研究，并取得了丰硕的成果[1-5]。

城市气候环境虽然仅是大气科学中的一个分支，但也包含非常丰富的研究内容，当前广义的城市气候环境问题已经从早期的“五岛”（热岛、雨岛、混浊岛、干岛和湿岛）效应拓展到整个城市边界层的大气物理环境与化学环境问题，其本身也包含了若干更细的分支。

(19)中华人民共和国国家知识产权局(12)发明专利申请(10)申请公布号 (43)申请公布日 (21)申请号 201910179920.7(22)申请日 2019.03.11(71)申请人 天津城建大学地址 300384 天津市西青区津静公路26号申请人 天津大学(72)发明人 曾穗平　曾坚　田健　(74)专利代理机构 中科专利商标代理有限责任公司 11021代理人 李坤(51)Int.Cl.G06F 17/50(2006.01)(54)发明名称城市多尺度风环境数值模拟方法(57)摘要本公开提供了一种城市多尺度风环境数值模拟方法，包括：生成以城市为中心的圆形的城市地形模型，并通过模型镶嵌将城市建筑群模型嵌入城市地形模型中，建立广域城市整体模型；采用布尔减运算提取广域城市整体模型，通过外圆内方的形式分割广域城市模型并进行模拟；提取镶嵌局域街区模型，并对边界进行插值，为局域街区模型提供准确的风环境边界条件并进行模拟。

本公开采用嵌套模型方法可在大尺度的城市整体模拟中，避免采用不合理的入流边界假定，直接在城市宏观风场模拟后，为局域街区模型提供合理的流速边界；同时，由于采用了城市整体模型采用圆形的边界形式，对不同风速方向可采用同一套网格，极大地减轻建模及网格多次划分的工作量。

权利要求书2页 说明书8页 附图9页CN 109948214 A 2019.06.28C N 109948214A权　利　要　求　书1/2页CN 109948214 A1.一种城市多尺度风环境数值模拟方法，包括：步骤S100：生成以城市为中心的圆形的城市地形模型，并通过模型镶嵌将城市建筑群模型嵌入城市地形模型中，建立待加工的广域城市整体模型；步骤S200：自步骤S100中通过布尔减运算提取广域城市整体模型，通过外圆内方的形式分割广域城市模型并进行模拟；步骤S300：自步骤S200中提取镶嵌局域街区模型，并对边界进行插值，为局域街区模型提供准确的风环境边界条件并进行模拟。

基于实测风场和CFD的城市建筑风能资源模拟评估许晖;张亮【摘要】The wind field between the two office buildings of Jilin Meteorological Office in 2012 was measured and the results were compared with the wind data observed at a meteorological station in Changchun.The results show that a tunneling effect exists between the two office buildings,which results in the convergence of wind.The wind field between the two office buildings simulated using the CFD technology (the Fluent software)is generally con-sistent with the real wind field.The annual average wind power density calculated from the simulated wind field is 139.0 W·m-2,with the largest wind speed area occurring at a 40 m height around the top wind exit between the two office buildings,which meansthe probability to explore wind power at this observationalsite.Meanwhile,it is feasible to evaluate wind power around buildings using both of real observations and CFD simulation.%利用2012年吉林省气象局两栋办公楼之间的风场观测资料，与2012年长春气象站风场的观测数据进行了对比分析。

基于“源—流—汇”理论的城市风环境优化与CFD分析方法——以天津市为例基于“源—流—汇”理论的城市风环境优化与CFD分析方法——以天津市为例1. 引言城市风环境是指城市空气质量和气候状况对城市建设和人民生活的影响，城市风环境质量的优劣直接影响着人们的生活和健康。

为了改善城市风环境，提高城市居民的生活质量，结合“源—流—汇”理论和计算流体力学（Computational Fluid Dynamics，CFD）分析方法，可以实现城市风环境的优化与管理。

本文以天津市为例，介绍基于“源—流—汇”理论的城市风环境优化与CFD分析方法。

2. “源—流—汇”理论“源—流—汇”理论认为，城市风环境的质量受到三个要素的影响：源（pollutant sources）、流（wind flow）和汇（receptors）。

源指的是城市中的污染源，如工业排放、汽车尾气等；流是指城市中的气流运动情况；汇是指城市中的接收器，如人们居住的区域、公园等。

优化城市风环境，就需要从源、流、汇三个方面入手，减少污染源的排放，优化气流运动，降低接收器处的污染浓度。

3. 基于CFD的城市风环境分析方法CFD是一种数值模拟方法，可以模拟流体运动情况。

在城市风环境分析中，可以利用CFD模拟城市中的风速、风向、温度等参数，以及污染物的扩散情况。

通过模拟分析，可以定量评估城市风环境的质量，提供优化措施和建议。

4. 天津市的城市风环境问题天津市是我国重要的经济中心和交通枢纽，但也面临城市风环境问题。

由于城市化进程加快，天津市出现了交通拥堵、工业污染等问题，对城市风环境造成了负面影响。

利用基于“源—流—汇”理论和CFD分析方法，可以有针对性地优化和管理天津市的城市风环境。

5. 优化天津市的城市风环境（1）减少污染源的排放：加强工业企业的环保监管，推广清洁能源替代传统能源，减少工业废气的排放；加强车辆尾气管理，提倡绿色出行，减少汽车尾气的排放。

（2）优化城市空间布局：合理规划道路、建筑和公共空间，减少阻挡气流的结构物和建筑物；合理绿化城市，建立绿色生态系统，增加氧气供应，净化空气。