关键词:
室外风环境
学生宿舍区
CFD数值模拟
响应面法
策略
摘要:
随着高校在校人数快速增长和人们对生活品质追求的提高,学生宿舍区是学生在校期间休息、学习、交流的重要场所,所以提升学生宿舍区的空气质量和舒适度非常重要。本文以优化校园宿舍区风环境为出发点,以宜昌某大学宿舍区为研究对象,提取研究对象建筑特征参数建立典型宿舍区建筑群模型,运用CFD数值模拟的研究方法结合响应面法进行多组试验以优化室外风环境。以室外1.5m行人高度处平均风速、平均空气龄、静风区面积作为风环境评价指标,探究建筑底层架空设计参数、方形截面建筑尺寸参数、建筑布局方式及风向投射角对室外风环境的影响规律。利用响应面法构建风环境预测模型并在样本区间内寻求有利于风环境的建筑设计参数最优组合,再对优化设计方案进行数值模拟以验证预测模型的准确性。数据表明,响应面法建立的预测模型与CFD数值模拟得到的结果基本保持一致,偏差均在15%以内。主要研究内容如下:
(1)通过国内外有关风环境研究进行归纳总结,分析风环境与人体舒适度的影响,结合宜昌市气候特征提取出适宜研究对象的室外风环境评价指标,即平均风速指标、平均空气龄指标、静风区面积指标。
(2)对研究对象展开调查研究、实地测量、无人机航拍等建立三维模型并利用PHOENICS软件进行风环境模拟,结合对某一宿舍区风速值现场实测来验证模拟结果的准确性。通过模拟结果结合国内外相关研究成果筛选出风环境的影响参数,即底层架空设计参数、方形截面建筑尺寸参数、建筑布局方式及风向投射角。
(3)建立包含研究对象特征的典型建筑群参数化模型,对底层架空设计参数设置三因素三水平的试验,底层架空高度区间[2.5m,3.5m],底层架空率区间[40%,80%],底层架空方式设置单侧架空、两端架空、中间架空;对方形截面建筑尺寸参数设置四因素三水平的试验,来流风速区间[1m/s,5m/s],建筑宽度区间[20m,40m],建筑长度区间[40m,60m],建筑高度区间[15m,25m];对建筑布局方式及风向投射角设置三因素三水平试验,来流风速区间[1m/s,5m/s],风向投射角区间[0°,90°],建筑布局方式设置行列式、错列式、围合式。结合风环境模拟结果提取每组工况风环境评价指标具体数值输入到响应表中建立预测模型并利用MATLAB数值计算平台寻找样本区间内最优组合。
(4)在建筑底层架空风环境响应分析中,架空率为80%,架空高度为3.5m,架空位置为两侧架空可使平均风速达到最大,此时静风区面积也达到最小;架空率为80%,架空高度为3.5m,架空位置为中间架空时平均空气龄最小。在方形截面建筑尺寸风环境响应分析中,宽度为40m、长度为40m、高度为25m时有最低室外平均空气龄;宽度20m、长度40m、高度15m时有最大室外平均风速,此时静风区面积也达到最小。在建筑布局及风向投射角风环境响应分析中,布局形式为错列式,风向投射角为90°时有最小空气龄;布局形式为行列式,风向投射角为90°时有最大平均风速,此时静风区面积也达到最小。
本文利用响应面预测的方法结合CFD数值模拟为设计人员做出一套系统的、可供参考的建筑设计参数对宿舍区风环境影响的预测模型,可以使设计人员对校园宿舍区进行规划与设计时根据所建立的预测模型更加直观的看到各设计参数变化对风环境的影响,从而采取针对性的改进策略。