城市规划CFD模拟设计的数字化研究(2)

时间：2014-01-31 20:54:49 作者：余庄，张辉来源：网络媒体阅读：5963

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内容摘要：【摘要】介绍了如何建立CFD模拟中城市数字模型。CFD模拟应用在城市规划与城市气候关系的研究中，准确、合理的CFD城市数字模型是进行研究的关键。将复杂的城市转化为可在CFD中进行仿真模拟的数字模型，需将城市中的建筑材料性质、水体的数字模型以及城市特征转化为CFD模型的数字参数，以...

2 城市数字模型建立

将复杂的城市转化为可在CFD中进行仿真模拟的数字模型，一方面，城市中不同地区的建筑密度、人口密度和绿化程度等相应的分布都会有很大的差别。在受到相同的城市气=条件影响时，其所表现出的温度、太阳辐射温度、舒适度、大气压等特征也会大相径庭。在研究气候环境对城市小气候的影响时，对城市的不同地块进行一定的区块划分成为一个十分必要的工作。另一方面，在CFD中建立城市数字模型进行分析研究时，由于城市中各种因素的多样性，建立数字模型其工作量也会非常大。通过对城市中不同地区的分析调查，将相似特征的地区作为一个整体进行分析研究，给研究城市大气候对城市以及城市中不同地区之间的相互影响提供了十分便利的手段。因此，根据城市的现有布局情＃以城市主要干道、山体、河流、湖泊等各种条件为界限，将城市分为不同的区域地块，建立CFD的城市数字模型。

图1 分级图

Fig.1 picture for classification

在将城市以主要干道、山体、河流、湖泊3各种条件为界限，分为不同的区域地块（即为模型中的BLOCK），考虑到不同区域的建筑密度大小、容积率、人口毛密度、绿化程度等因素组成的数字模型在模拟仿真计算过程中可能表现出的不同特性，将整个研究区域内分为五个等级。在区域分级过程中，(1)根据不同区域内的实际情况，综合考虑区域内建筑密度、容积率、人口毛密度、绿化程度（包括无覆盖、非裸露土地，如菜地等）等因素的基础上，取各参数在本地块上的平均值（该值也根据具体情况作一些微调）；（2）主要以该区域的Block接受太阳辐射的程度、风的影响大小为标准；（3）级别由低到高划分过程中，其区域内的建筑密度由小到大，容积率由低到高，人口毛密度也由小到大，而其绿化率则由高逐渐过渡到低。以武汉市为例，根据以上区域分区、分级方法，将武汉市分为五个等级（见附表及分级图1）。

从图中可知，级别逐渐升高，代表其区域内的建筑密度、容积率、人口毛密度、绿化程度逐级变化。比如在三级区域内，建筑密度在20%—30%之间，容积率为1.0—1.5之间，人口毛密度为400－600人／公顷，在该区域内有相当面积的绿化，但总体绿化率一般。但在有些绿化程度高的区域内，如绿化程度高的高等学校用地（通过卫星遥感图观察），尽管人口密度大，从接受太阳辐射程度来考虑，仍可设置为低级别。

模型中，每个block都要根据媸胁煌地区地面情况受太阳辐射和风的大小而产生的地区特征进行设置，对于城市中的较空旷地形，可作为广场考虑；城市中的河流和湖泊等水体，除了随着季节的变化有一定的温度外，还有一定的蒸发量，故根据其温度变化特征和蒸发的特征，将其作为一个向上散发气体的出风口，在模嬷猩柚梦opening属性。蒸发量的计算包括水面蒸发、土壤蒸发、植物散发以及流域总蒸发量的计算。在此次研究中，主要考虑水体的蒸发量。有关的各地实测资料也较充足，但由于实测的蒸发器的水热条件和天然水面不同，所以测出的蒸发量需要通过折算，才能转化为天然水面蒸发量。其折算关系为：E = φE′，式中Ｅ为水面实际蒸发量，Ｅ＇为蒸发器测定值；φ为折算系数。对于城市中的馓澹可以将其考虑为一个竖向的不规则物体。

采用上述转换方法，还需将城市中的不同下垫面性质以及城市特征转化为CFD模型的数字参数。对于城市中不同级别的区域，在确定模型高度和材质上，对于地块庑痛诱体上综合考虑其受太阳辐射和风的大小影响的程度，分别将建筑密度、容积率、人口毛密度、绿化程度的等，转化为各block的属性参数。如综合考虑一级、二级的低级别区域，由于其受太阳辐射和风影响相对小，block属性采用空心，材质为砖；对于三级、四级和五级地块模型，由于其受太阳辐射和风影响影响大，模型采用实体的水泥材质。在材质的具体物理特性上，如对太阳辐射的反射率，热的吸收等，再根据具体情况进行设置。

图2 武汉市模型图

Fig.2 Wu Han model picture

CFD模拟时，首先创建一个城市大空间的zoom，确定zoom在CFD中的长、宽、高尺寸，一般要适当的大于整个城市模型。用于进行CFD的仿真环境模拟；其次，在几何模型相应的位置建立进风口和出风口，用于模拟城市在大<候环境下的季节风向；本次研究中，采用1：1000的模型进行研究。（如图2，武汉市模型图）

3 模拟的初始条件设立

在CFD中完成模型创建后，输入要进行模拟仿真的城市所在的经度、纬度，所要进行计算的月份、时间和与太阳辐射相关的入射角度、空气折射指数、太阳漫射强度等参数，作为模拟计算的初始条件；设置为混合层流模型来模拟大气的流动。

模型地块为热辐射模型，因此对于不同级别的地块模型，根据不同区域的实际情况，设置不同的初始温度。以武汉市一级地块模型为例，在一级地块区域内，建⒚芏刃　⑷莼率低、人口毛密度小、绿化程度好，其初始温度低，一般设置为28℃；如四级地块模型，其建筑密度大、容积率高、人口毛密度大，其初始温度高，一般设置为40℃。

河流、湖泊模型，由于其温度受季节变化较大，在进行仿真模拟计算时，根据计算的季节不同，设置不同的初始温度。对于夏热冬冷地区的武汉来说，根据测量数值，将湖水温度设置为：夏季26℃，冬季为5℃等。

在CFD模拟计算中，通过设置进风口和出风口的不同位置和参数，并附加其他有关参数，达到模拟城市不同季节的自然气候条件的目的。以武汉市为例，夏季3个月的日平均温度为32℃，风速为15km/h；冬季3个月日平均气温为0℃，风速为5km/h。以上数据是武汉市气象局提供的具体测量值，然后用计算机软件，对相关气候资料信息进行分析和转换后得到的。模拟时，再将具体的温度和风速值，如夏季中午12点至下午2点气象值（由该时段的风玫瑰确定模设置为进风口和出风口的初始参数，模拟城市数字模型在该时段中的受到的气候环境影响。