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西安城区水体对城市气候影响的数值研究

  • 作者:
  • 中国凤凰彩票注册网
  • 发布时间:
  • 2019-12-09

曼妮苏丽·阿克拜尔1,2,官燕玲1

凤凰彩票注册(1.长安大学建筑工程学院,西安   710064;2.新疆建筑设计研究院,乌鲁木齐   830002)

摘   要:对西安市城区的建筑、道路、水体等建立了几何模型,并通过实验验证建立了水面与大气耦合传热传质的数值仿真模型,在此基础上建立了包括水面在内的西安城区大尺度的凤凰彩票注册 环境的数值计算模型。计算分析了在夏季主导风向下,该区域水体对城市风环境、热环境、相对湿度的影响。研究表明水体对局部环境,特别是下风侧的风速、温度、相对湿度有明显影响。

关键词:城市凤凰彩票注册 ;水体蒸发试验;大尺度;数值计算;热湿气候

0   引言

      “城市热岛效应”的主要成因之一是城市下垫面的热工物理特性。其中城市水体不仅有观赏性,因其热容量大,蒸发水分大,还有调节气温的功能。故研究水体对城市热湿环境的影响很有必要。
关于地表水体的研究,Webb BW总结了1990年以来关于河流和小溪温度的研究进展情况[1]。John Keery等通过河流水面温度及河床温度研究河流水体自身的温度分布[2]。E Jauregui分析了人工水体对墨西哥城东北区域的气候作用,发现新建的湖泊和池塘增强了下风方向的大气水平对流[3]。Matsushima Dai采用卫星遥感技术结合数值模拟方法,研究了蒙古kherlen 河流域水面、滨水区域地面等的表面热通量分布[4]。E A Hathway等通过实地调查研究了英国谢菲尔德河流春夏季对环境的影响,提出水体对周围空气环境的降温能力与环境空气温度、河水温度、风速和相对湿度有关系[5]。
水面温度与周边空气温度之间有一定的温差,因而有显热交换,同时水体蒸发伴随着潜热交换。这些热量、湿量交换对水体周边热湿气候会有影响。关于城市风环境的研究,国内外多以单独建筑、多个建筑群或简单组团的街谷为研究目标[6, 7],针对城市整体区域的凤凰彩票注册 环境研究相对较少。Kondo提出了水面蒸发数学模型[8],文献[11]使用该水面蒸发数学模型研究了在9平方公里城区内水体对其热湿环境的影响,文献[9][10]对一个街区也做了同样的研究。目前还没有耦合水面蒸发的城市尺度空气环境的相关研究。
在以上风环境的研究中,紊流模型更多的是采用标准的k-ε湍流模型,也有采用RNG k-ε湍流模型、Realizable k-ε 模型的。文献[11]采用的是RNG k-ε湍流模型,计算结果与风洞试验数据进行了比较验证,发现RNG模型在计算精度和计算机时方面都是最优的模型。文献[12]对大气边界层中的建筑绕流问题进行了风洞试验,对RNG k-ε计算模型进行了试验验证。
本文针对西安主城区,对其建筑、水体、道路创建真实比例的几何模型;依据水体与大气热湿交换的基本原理,建立水体表面与大气之间的热湿交换模型,编写相应的UDF导入Fluent。利用长安大学渭水校区蒸发器原位实验平台的监测数据,对其热湿交换模型进行验证。在此基础上,耦合水面与大气的热湿交换模型,建立西安城区尺度的凤凰彩票注册 环境的数值仿真模型,对该区的城市风环境、热湿环境进行计算分析,研究水体对城市气候环境的影响。

       1   水体表面自然蒸发数学模型

       凤凰彩票注册1.1   蒸发数学模型

       水面与空气之间有温差,因而有显热交换;另外,水体的蒸发是由液态到气态的过程,伴随着潜热交换。这些热湿交换对城市局部热湿气候的影响是本文研究的重要内容。

       凤凰彩票注册关于显热换热,属于第三类边界的对流换热过程,其换热大小不仅与水体表面与空气两者之间的温差有关,还与周边的风速有关,应用常规的流体动力学方程即可求解。

       凤凰彩票注册关于水体蒸发的换热,采用公式(1)作为基本公式[8]。在CFD计算中,对水面和周边空气进行参数的传递耦合,需要采用自定义函数(UDF)的方式,将这个传递模型加载到Fluent 的水体表面边界上。

       式中:E为蒸发率(kg/(m2·s));ρa为空气的密度(kg/m3);CE是潜热交换的传输系数;u为水面以上测点处的风速(m/s);qs是水面温度的饱和含湿量(kg/kg)(干空气);qa是水面上测点处的空气含湿量(kg/kg)(干空气)。

     (1)水面温度的饱和含湿量

       凤凰彩票注册式中:r表示空气相对湿度(以小数记);B分别为当地大气压、水面温度的水蒸气饱和分压力(Pa)。

     凤凰彩票注册(2)水面上测点处的空气含湿量qa

       湿空气中含湿量的定义式为:   

       其中:m1湿空气中水蒸气的质量(kg);m2为湿空气中干空气的质量(kg)。

       水蒸气扩散的边界条件中需要给出水蒸气的质量分数,湿空气中水蒸气分数m的表达式为:

       凤凰彩票注册联立(3)、(4)得出含湿量qa与水蒸气质量分数m的关系式:

       将式(5)转换如下:                 

       (3)水面的水蒸气饱和分压力Ps

       关于计算水蒸气饱和分压力(即当湿空气的相对湿度为100%时水蒸汽的分压力)的经验公式,一般使用联合国世界气象组织(WMO)推荐的戈夫-格雷奇(Goff-Gratch)公式[13]

       凤凰彩票注册水面温度Ts>273.15K时,

       式中:Ps单位是hPa。

       凤凰彩票注册(4)热交换的传输系数

       凤凰彩票注册参考文献[14],水面处潜热交换的传输系数CE取值为0.00145。

       1.2   水体表面蒸发率的UDF编程

       凤凰彩票注册该UDF程序的基本流程:水体表面温度的饱和含湿量qs利用水面温度得到的水蒸气饱和分压力计算确定,测量点的风速u、密度ρa直接用 Fluent 提供的宏查找水面上方临近网格的变量,而空气温度下的含湿量qa的取值是在读取水面上方临近网格的水蒸气质量分数m后,用相应公式确定。最后将这些参数代入水分蒸发率计算式(2)中,然后将该值分配 F_PROFILE 通过水面边界带入模拟计算中。UDF程序流程见图1。

凤凰彩票注册图1   蒸发率UDF流程图

       凤凰彩票注册1.3   水体表面蒸发数学模型的试验验证

       凤凰彩票注册因为面积大于等于20m2蒸发池可近似于大水体的蒸发过程,因此本文依据长安大学渭水校区蒸发池原位试验平台数值计算模型,计算得到试验平台实测的气象参数条件下的蒸发池的蒸发量,并将其与试验得到的蒸发量进行对比,由此验证计算模型。计算几何模型如图2所示。

凤凰彩票注册图2   蒸发验证模型的计算域

       选定2014年温度最高的7月22日中午14时的渭水实验平台的气象数据,入口、出口来流温度为40.3℃,相对湿度为28%,将选定的气象参数代入相关公式得到相对应的水蒸气分数为0.01466。地面边界(y =0)为wall,参考西安地区土壤源凤凰彩票注册 热响应试验结果[15],设定20m深处的温度为16℃,作为地面边界条件;该层岩土的密度为2170kg/m3,比热为511.5 J/kg·k,导热率为1.75W/m·k。

       模拟计算结果,蒸发器的蒸发量为1.004×10-4kg/s;20.25m2蒸发池对应时间的试验蒸发量为1.125×10-4kg/s。模拟计算结果与试验结果进行对比,相对误差为10.7%,基本吻合,因此此水体与大气热湿交换模型具有一定的可靠性。

       2   城市风环境的计算模型 

       2.1   研究区域

       本文将研究区域确定在西安市绕城高速以内(图3),总面积约458平方千米,东西长约28.8km,南北宽约为19.8km。该区域的模型包括水体、建筑和道路。水体分布如图3所示。

图3   研究区域范围及水体分布

       2.2   几何模型

       本文对研究区模型进行了简化:高层建筑20m以下部分与多层建筑合并,窄巷与附近建筑合并,由于研究区域地势高度差相对模型尺度很小,因此不考虑,而主干道路以及重要水体以实际形态表现。几何模型以钟楼为坐标轴原点,x轴、z轴正向分别为东、南,y轴是高度方向,以米(m)为基本单位。几何模型边界外100~200m设置为计算模型边界,整个计算域(见图4)南北方向(z轴)长20200m,东西方向(x轴)长29330m,高度300m(地面高度设为0)。

 

凤凰彩票注册图4   计算模型轴测图

       2.3   网格划分

       凤凰彩票注册鉴于模型尺寸庞大,需要先对其进行区域分割以得到更高的网格质量,区域序号见图5,蓝色为水体。所有分割面设为内部界面(interior)。网格采用三角形(Tri)的面网格,四面体混和体网格(Tet/Hybrid),网格划分(局部)见图7。网格划分最终结果:总单元体数量为20324684,总面单元数量为42023856,节点数量为4078917。

凤凰彩票注册图5   几何模型区域划分图

凤凰彩票注册图6   西安市区域3几何模型

凤凰彩票注册图7   计算模型网格

       凤凰彩票注册2.4   计算模型

       湍流模型采用RNG k-ε 模型,该模型在水体对热湿环境影响方面的适用性已经得到验证[11]

       凤凰彩票注册2.5   边界条件设置

       计算工况为稳定工况,水体简化为水面,水面温度设定为定值,通过现场实测的方法确定水面温度。2016年7月9日至11日13点~16点对芙蓉湖、兴庆公园内的水体、空气温度进行现场实测,14点的平均水面温度为29.85℃,平均气温值为33.7℃,相对湿度平均值39.5%。另外,根据原位试验蒸发器的水温与气温的拟合公式 t =2.861+0.791ta[16]凤凰彩票注册,当气温ta为33.7℃时,水面温度t为29.52℃,与以上测试值29.85℃之间的相对误差只有1.1%,证明了测试数据的可靠性。除此之外,选定西安市夏季典型风向(东北风),夏日室外平均风速1.6m/s。

     凤凰彩票注册(1)入口采用速度入口边界。地面粗糙度指数设为0.22;出口边界设为压力出口边界,出口表压为0。入口、出口来流温度33.7℃,相对湿度39.5%,将气象参数代入相关公式得到相对应的入口、出口水蒸气分数为0.01459。

     (2)地面边界(y=0)条件为wall。具体设置同验证模型地面边界。

     (3)顶面边界(y=300m)边界设置为Symmetry。

     (4)建筑表面边界设置为wall。此模拟只考虑夏季建筑使用空调排出的热量对城市热气候的影响,并把空调排热以面热源的形式加入模型中的建筑表面,建筑表面边界的热流量设定为38W/m2 [17]

     凤凰彩票注册(5)水面边界设置为质量流量边界(mass-flow inlet)。将相关参数编写成UDF应用于水面边界。水面边界的水蒸气质量分数设为1。

       3   模拟结果与分析

       凤凰彩票注册模拟分无水体(工况一)、有水体(工况二)两种工况,无水体时水体边界设置与地面相同。

       3.1   速度场

       计算区域不同高度断面的平均风速见表1,速度矢量场见图8。

凤凰彩票注册表1   计算区域不同高度断面的平均风速

       凤凰彩票注册从表1数据和图8可以看到:随着高度的增加,风速增大;城区西南区域9、10为下风侧,风速相对最小;水体会影响城市风速增加,有助于城市凤凰彩票注册 ;分析不同高度水体对风场的影响,从15m高度往上,随着高度增加,水体对风场的影响逐渐减小,3个高度的断面风速相对差值分别为2.35%、1.933%、1.615%;在1.5m高度,相对差值只有0.19%,从速度矢量场可以看到原因是影响范围在这个高度好没有展开,从局部上空看影响是很大的,如区域1的灞河上方风速由不考虑河面的0.4m/s左右(工况一)到考虑河面时提高到了1.2m/s左右(工况二)。

图8   西安市不同高度平面风速矢量图

       凤凰彩票注册3.2   温度场

       关于水域对城市温度环境的影响,从不同高度平面温度云图9看到,1.5m高度时,水体上空在其冷却作用下温度降低,例如区域2的灞河上方温度由约33.8℃(工况一)降低到约30.8℃(工况二);且在EN风向下,对下风侧一定区域的环境温度起到改善的作用,例如西南区域9和10的平均温度从约35.8℃(工况一)降低到32.8℃左右(工况二)。表2为计算区域不同高度断面的平均温度对比,从表中数据可以看到,水体对整体温度场的降温作用随着高度的升高而减小。

图9   西安市不同高度平面温度云图

表2   计算区域不同高度断面的平均温度对比

       凤凰彩票注册从区域3中兴庆公园湖体周围纵剖温度云图(见图10)工况一、二对比可知,水体中心为温度最低点,在EN风向下,水体对下风侧的温度有明显改善,图10中区域3中水体下风侧建筑(x=2350~3500m)表面的温度从约35.8℃降低到33.8℃左右。

图10  西安市区域3部分(兴庆公园)剖面温度云图

       凤凰彩票注册3.3   湿度场

       水体表面有一层湿度饱和的空气层,与空气环境形成蒸汽分压力的差值,由此,水体中的水分会蒸发影响到周边空气湿度的提高。水体的蒸发量是由UDF实现的,见本文1.2节。

       图11为不同高度相对湿度等值云图,由图中看到,1.5m高度时,水体蒸发产生的水蒸气使得水体上空相对湿度升高,相对湿度最大值达到0.8;在EN风向的作用下,下风向很大一片区域的相对湿度达到了0.65左右;而对城市西北角的区域6、7(区域编号见图5)大部分区域则影响很小,这是由于城市水体的位置以及风向的原因。高度为15m往上,明显看到水体对空气环境湿度的影响,影响区域同1.5m高处的,主要是在水域的下风侧,整场来看,灞河、浐河对城市的湿环境影响最大。另外,图中看到,50m、100m高度时,随着建筑群落密度降低,湿气得到了更均匀的扩散。

凤凰彩票注册图11   西安市不同高度平面湿度云图

       由区域3中兴庆公园湖体周围剖面相对湿度云图(见图12)对比可知,水体中心相对湿度最高(>80%),在EN风向下,区域3中水体下风侧x=2350~3500m范围的相对湿度达到了0.6。

图12   工况二时区域3部分(兴庆公园湖体)剖面相对湿度云图

       4   结论

     (1)水体会影响城市风速增加,有助于城市凤凰彩票注册 。在1.5m高度,从局部上空看影响很大,如区域1的灞河上方在不考虑或考虑河面影响条件下,风速分别约为0.4m/s、1.2m/s;随着高度增加,水体对风场的影响逐渐减小。

     (2)水体的存在对其上空有降温作用,且对下风向一定区域的环境温度起到改善的作用,例如1.5m高度,西南9和10区域,无水体时平均温度约35.8℃,有水体时降低到32.8℃左右。水体对整体温度场的降温作用随着高度的升高而减小。

凤凰彩票注册     (3)水体对其上空及下风向一定区域有明显加湿作用;整场来看,灞河、浐河对城市的湿环境影响最大;城市西北角部分区域不属于大水域的下风侧,相对湿度仍较低。垂直方向上,水体的加湿作用随着高度的增加而越来越小。

     (4)下风侧是城市最有可能出现热岛效应的区域。西安市主城区建筑密度大,加之主导风向为东北风,导致城市西南区域形成负压区,风速小,温度偏高。

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注:本文收录于《建筑环境与能源》2017年5月刊总第5期《2017全国凤凰彩票注册 技术年会论文集》中。
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