三维城区湍流特性和室外通风能力的研究结题摘要

除减少污染物排放等措施外，合理的建筑布局、改善城区通风和提高室内自然通风潜力是降低城市空气污染和热岛效应、减少夏季建筑空调能耗的重要手段，我国华南冬暖夏热地区如香港、广州等城市对此有更高的要求。我们在风洞实验数据验证下，以计算流体(CFD)数值模拟为主要手段进行了如下研究。根据广州城区和文献中世界典型城区建筑密度范围，设计了具有不同密度的理想城区模型。首先与瑞典皇家工学院Mats Sandberg教授合作在其风洞实验室中测量了典型城区湍流场和建筑阻力分布等。在少量大涡模拟数据的比较下，以雷诺时间平均RANS湍流模型为基础的计算流体CFD模拟为主，研究了更多建筑布局。其中运用通风量、换气次数、空气龄、通风效率、排污流率和排污贡献率等概念综合评估城区大小、建筑密度、建筑排列方式、建筑高低变化、建筑底部架空结构、来流风向、街道半开放遮蓬结构、城区通风廊道、定建筑表面热流率等对理想城区通风能效的定量影响，是本项目研究的重要特色。首次采用污染物浓度衰减法研究建筑布局对城区换气次数和空气龄的影响，是一个重要创新。其次,人们平均90%的时间是在室内度过的，建筑自然通风对室内空气质量非常重要，采用CFD数值模拟与三个通风指标相结合的方法，定量评估了三个主导风向下广州大学城中心湖医院260间病房的单侧和双侧自然通风能效。我们采用了单域法同时耦合计算室内、室外流场，运用surface-grid extrusion technique生成高质量的六面体网格。采用示踪气体均一释放法计算260间病房的空气龄和换气效率，是该研究的一个特色。最后，城市繁忙主干道的汽车尾气污染对两侧建筑及附近街区空气质量会产生不利影响。我们研究了二维街谷高宽比、不同壁面加热条件、有无高架桥和噪声挡板等对气态和颗粒污染物在街谷内扩散、向自然通风的建筑室内扩散等的影响机制。在该国家基金项目的资助下，项目负责人已在国际期刊<>发表SCI论文4篇，在Indoor Air 国际会议上发表会议论文3篇，另有5篇SCI论文正在审稿或准备投稿。 2100433B

城区风环境的改善有利于居民身心健康和减少建筑暖通能耗。本项目将根据华南地区城市人口密度和土地利用率特点设计理想建筑群布局，并通过风洞实验和以大涡模拟(Large eddy simulation)为基础的计算流体(CFD)技术研究若干典型城区冠层(Urban canopy layer)的湍流特性和污染物扩散机理，得到精确可信的通风量等数据；然后运用以RANS湍流模型为基础的CFD技术结合室内通风概念，研究较多建筑布局和走向与城区冠层的通风量、换气次数、空气龄、通风效率、排污率等通风能力的定量关系，同时通过比较各建筑前后表面压力差研究室内自然通风潜力，并分析速度场研究行人区舒适性。本项目不仅能取得对若干典型城区湍流流动机理和通风能力的准确认知，有重要学术意义；还能多角度定量评价较多城区布局的室外风环境质量，为我国冬暖夏热地区可持续性城市规划提供有价值的参考。

湍流在空气动力学中指的是短时间(一般少于10min)内的风速波动。为了有效地描述风，将它认为是通过天气、昼夜、季节的平均风速和湍流的风速波动叠加构成的。这些风速波动的周期一般为一到几个小时，在10分钟，湍流波动的平均值为零。

湍流产生的原因主要有两个:一个是当气流流动时，由于地形差异(如山峰)造成的与地表的摩擦或者阻滞作用;另一个是因为大气温度差异和空气密度差异引起的气流垂直流动。通常这两种原因彼此影响。例如，当气流经过高山时就会被迫流向温度较低的地区，这时气流与大气环境的热平衡被打破，引起风速波动。

湍流显然是一个复杂的随机过程，并且不用简单明确的方程来表示，我们能可以通过统计规律来研究湍流。针对湍流统计规律的描述有很多，关键在于找出是湍流强度和阵能哪一种够在实际工程中得到最好的应用，最简单的统计描述就是湍流度和风因子。其中，湍流强度是对湍流总体水平的度量。

通过在物体表面贴上一层柔性覆层来抑制湍流达到减阻效果是一种简单而有潜力的湍流减阻被动控制方法。本项目利用直接数值模拟的手段，对柔性覆层湍流边界层特性及减阻机理进行研究。（1）柔性覆层湍流边界层的直接数值模拟方法研究：采用基于动态曲线坐标方法处理任意变形的流体边界，结合辅助计算法和比例缩放法给出湍流边界层的入口条件，柔性覆层计算模型包括各向同性和各向异性模型；（2）柔性覆层湍流边界层的统计特性，近壁相干结构动力学过程及减阻机理研究：采用流场可视化和条件平均的方法，研究柔性覆层对近壁湍流相干结构及湍流自维持机制的影响，通过雷诺应力输运方程中各项的平衡关系来研究湍流减阻的机理；（3）柔性覆层关键材料参数研究：结合单谐波分析，根据数值模拟的结果分析关键材料参数对减阻效果的影响，并在均匀材料的研究基础上设计非均匀材料结构以求改善减阻效果，为实验研究及实际应用提供参考。