不同形状建筑背风面回流区流线示意图
摘要
建筑截面形状显著影响着建筑物周围的气流特性，特别是高层建筑背风面的回流区。基于计算流体力学雷诺平均方法，本研究对八种典型截面形状（包括正方形、三角形、八边形、T字形、十字形、#字形、H形和L形）的高层建筑周边流场特征进行了模拟，并评估了流场结构、回流区长度和面积受建筑形状的影响。结果表明高层建筑背风面涡旋的大小和位置受建筑形状的影响显著，从而改变了回流区的气流特征。八种建筑形状的高层建筑回流区长度在1.6b-2.6b（b是建筑宽度）的范围内，平均长度为2b。L形建筑的回流区长度最大（2.6b），八边形建筑最小（1.6b）。垂直回流区面积Av在1.5b2-3.2b2的范围内，而水平回流区面积Ah的范围为0.9b2–2.2b2。当风向改变时，L、Av和Ah总体上会随迎风面积的增加而增大，但受#字形和十字形建筑物凹陷结构的影响。不同形状的高层建筑的面积平均风速比（AVR）在0.05和0.14之间，表明建筑形状变化导致了约3倍的差异。考虑了水平回流区面积Ah来估算的阻力系数受建筑形状的影响很大，表明基于简化立方体的阻力源模型如果缺乏考虑建筑形状的影响，可能会导致较大的不确定性。本论文研究成果可为行人风环境评估提供重要的参考，也为城市冠层参数化改进提供有价值的启示。
关键词：回流区；高层建筑；建筑形状；通风；阻力参数化
ABSTRACT
The building cross-section shape significantly affects the flow characteristics around buildings, especially the recirculation region behind the high-rise building. Eight generic building shapes including square, triangle, octagon, T-shaped, cross-shaped, #-shaped, H-shaped and L-shaped are examined to elucidate their effects on the flow patterns, recirculation length L and areas A using computational fluid dynamics (CFD) simulations with Reynolds-averaged Navier-Stokes (RANS) approach. The sizes and positions of the vortexes behind the buildings are found to be substantially affected by the building shapes and subsequently changing the recirculation flows. The recirculation length L is in the range of 1.6b–2.6b with an average of 2b. The maximum L is found for L-shaped building (2.6b) while the shortest behind octagon building (1.6b). The vertical recirculation area Av is in the range of 1.5b2–3.2b2 and horizontal area Ah in 0.9b2–2.2b2. The L, Av and Ah generally increase with increasing approaching frontal area when the wind direction changes but subject to the dent structures of the #-shaped and cross-shaped buildings. The area-averaged wind velocity ratio (AVR), which is proposed to assess the ventilation performance, is in the range of 0.05 and 0.14, which is around a three-fold difference among the different building shapes. The drag coefficient parameterized by Ah varies significantly, suggesting that previous models without accounting for building shape effect could result in large uncertainty in the drag predictions. These findings provide important reference for improving pedestrian wind environment and shed some light on refining the urban canopy parameterization by considering the building shape effect.
Keywords: Recirculation flow; high-rise building; building shape; ventilation; drag parameterization
人口的增长和社会经济的发展推动着城市化进程持续推进，城市中高层建筑密度随之增加。高层建筑会对气流产生阻挡，使城市风场发生显著的变化，进而对城市通风状况、行人风热舒适性、污染物扩散等产生影响。目前已有许多研究关注了高层建筑的绕流特性及周边风环境状况，主要对模型设置、建筑形态、地形等影响因素展开讨论，然而有关高层建筑形状对背风面回流区的定量研究仍然不足。因此，本研究以开源软件OpenFOAM为工具，选取了雷诺平均（RANS）湍流模型，对八种不同截面形状（正方形、三角形、八边形、T字形、十字形、#字形、H形和L形）的孤立高层建筑周围流场特征开展了计算流量力学（CFD）模拟，探究了建筑形状、高度以及风向对于建筑周围气流特征、回流区长度和面积、行人通风评估以及阻力系数参数化的影响。
02
(1) 开展多种形状、不同高度和朝向的高层建筑周边流场计算流体力学（CFD）模拟
(2) 量化回流区长度L、水平回流区面积Ah和垂直回流区面积Av
(3) 比较建筑形状对行人区通风和阻力参数化的影响
本研究探究了建筑形状、高度及风向对孤立高层建筑周围风环境的影响。研究结果表明，建筑形状、高度及风向的变化对建筑附近气流涡旋尺寸、位置及数量有不同的影响。各形状的孤立高层建筑回流区长度L在1.6b ~ 2.6b之间，平均长度为2b。不同高层建筑的垂直回流区面积在1.5b2~ 3.2b2范围内，水平回流区面积在0.9b2 ~ 2.2b2范围内，表明不同形状高层建筑的回流区面积差异达到了2倍以上。不同建筑的面积平均风速比AVR值在0.05~0.14之间，有近三倍的差异。当风向为45°时，方形建筑和H形建筑的水平回流区面积Ah增加了200%以上，AVR增长了100%以上。考虑水平回流区面积的作用，不同建筑形状对阻力系数Cd有显著的影响，变化幅度超过150%。
作者
Keyi Chen1,2, Ziwei Mo1,2*, Jian Hang1,2
本论文通讯作者为中山大学大气科学学院莫梓伟副教授，论文第一作者为课题组硕士研究生陈可祎，共同作者为中山大学大气科学学院杭建教授。莫梓伟课题组主要从事城市气象和空气污染研究，在边界层湍流、城市通风和污染物扩散、挥发性有机物排放及环境效应等方面发表多篇SCI论文，承担国家自然科学基金、广东省自然科学基金和区域联合青年基金、生态环境部重点实验室开放课题等项目。目前课题组致力于开展风洞和水槽在城市和建筑流场模拟中的应用以及OpenFOAM在城市风场和污染物扩散模拟方面的算例开发，研究成果致力于为可持续城市建设和空气质量提升提供科学支撑。
Chen K, Mo Z, Hang J. (2024). The recirculation flow after different cross-section shaped high-rise buildings with applications to ventilation assessment and drag parameterization. Building Simulation, 17: 509–524.
https://doi.org/10.1007/s12273-024-1103-z
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高层建筑回流区：长度和面积的量化及其在行人区通风和阻力参数化的应用
期刊介绍
Building Simulation 2008年创刊，是世界上第一本有关建筑模拟领域最新研究成果的英文学术期刊，跨多种学科领域，涉及建筑技术、土木工程、建筑学、环境工程、能源及动力工程等，致力于为中外同行提供一个高水平的学术交流平台。被SCI、EI Compendex、Scopus、CSCD等数据库收录。2023年SCI影响因子5.5，在JCR两个学科领域均位于Q1区；位于中科院期刊分区，工程技术类1区。
