曼妮蘇麗·阿克拜爾^1,2，官燕玲¹

（1.長安大學建筑工程學院，西安   710064；2.新疆建筑設計研究院，烏魯木齊   830002）

摘   要：對西安市城區的建筑、道路、水體等建立了幾何模型，并通過實驗驗證建立了水面與大氣耦合傳熱傳質的數值仿真模型，在此基礎上建立了包括水面在內的西安城區大尺度的通風環境的數值計算模型。計算分析了在夏季主導風向下，該區域水體對城市風環境、熱環境、相對濕度的影響。研究表明水體對局部環境，特別是下風側的風速、溫度、相對濕度有明顯影響。

關鍵詞：城市通風；水體蒸發試驗；大尺度；數值計算；熱濕氣候

0   引言

      “城市熱島效應”的主要成因之一是城市下墊面的熱工物理特性。其中城市水體不僅有觀賞性，因其熱容量大，蒸發水分大，還有調節氣溫的功能。故研究水體對城市熱濕環境的影響很有必要。
關于地表水體的研究，Webb BW總結了1990年以來關于河流和小溪溫度的研究進展情況[1]。John Keery等通過河流水面溫度及河床溫度研究河流水體自身的溫度分布[2]。E Jauregui分析了人工水體對墨西哥城東北區域的氣候作用，發現新建的湖泊和池塘增強了下風方向的大氣水平對流[3]。Matsushima Dai采用衛星遙感技術結合數值模擬方法，研究了蒙古kherlen 河流域水面、濱水區域地面等的表面熱通量分布[4]。E A Hathway等通過實地調查研究了英國謝菲爾德河流春夏季對環境的影響，提出水體對周圍空氣環境的降溫能力與環境空氣溫度、河水溫度、風速和相對濕度有關系[5]。
水面溫度與周邊空氣溫度之間有一定的溫差，因而有顯熱交換，同時水體蒸發伴隨著潛熱交換。這些熱量、濕量交換對水體周邊熱濕氣候會有影響。關于城市風環境的研究，國內外多以單獨建筑、多個建筑群或簡單組團的街谷為研究目標[6, 7]，針對城市整體區域的通風環境研究相對較少。Kondo提出了水面蒸發數學模型[8]，文獻[11]使用該水面蒸發數學模型研究了在9平方公里城區內水體對其熱濕環境的影響，文獻[9][10]對一個街區也做了同樣的研究。目前還沒有耦合水面蒸發的城市尺度空氣環境的相關研究。
在以上風環境的研究中，紊流模型更多的是采用標準的k-ε湍流模型，也有采用RNG k-ε湍流模型、Realizable k-ε 模型的。文獻[11]采用的是RNG k-ε湍流模型，計算結果與風洞試驗數據進行了比較驗證，發現RNG模型在計算精度和計算機時方面都是最優的模型。文獻[12]對大氣邊界層中的建筑繞流問題進行了風洞試驗，對RNG k-ε計算模型進行了試驗驗證。
本文針對西安主城區，對其建筑、水體、道路創建真實比例的幾何模型；依據水體與大氣熱濕交換的基本原理，建立水體表面與大氣之間的熱濕交換模型，編寫相應的UDF導入Fluent。利用長安大學渭水校區蒸發器原位實驗平臺的監測數據，對其熱濕交換模型進行驗證。在此基礎上，耦合水面與大氣的熱濕交換模型，建立西安城區尺度的通風環境的數值仿真模型，對該區的城市風環境、熱濕環境進行計算分析，研究水體對城市氣候環境的影響。

       1   水體表面自然蒸發數學模型

       1.1   蒸發數學模型

       水面與空氣之間有溫差，因而有顯熱交換；另外，水體的蒸發是由液態到氣態的過程，伴隨著潛熱交換。這些熱濕交換對城市局部熱濕氣候的影響是本文研究的重要內容。

       關于顯熱換熱，屬于第三類邊界的對流換熱過程，其換熱大小不僅與水體表面與空氣兩者之間的溫差有關，還與周邊的風速有關，應用常規的流體動力學方程即可求解。

       關于水體蒸發的換熱，采用公式（1）作為基本公式[8]。在CFD計算中，對水面和周邊空氣進行參數的傳遞耦合，需要采用自定義函數（UDF）的方式，將這個傳遞模型加載到Fluent 的水體表面邊界上。

       式中：E為蒸發率（kg/(m²·s)）；ρa為空氣的密度（kg/m³）；CE是潛熱交換的傳輸系數；u為水面以上測點處的風速（m/s）；qs是水面溫度的飽和含濕量（kg/kg）（干空氣）；qa是水面上測點處的空氣含濕量（kg/kg）（干空氣）。

     （1）水面溫度的飽和含濕量

       式中：r表示空氣相對濕度（以小數記）；B分別為當地大氣壓、水面溫度的水蒸氣飽和分壓力（Pa）。

     （2）水面上測點處的空氣含濕量qa

       濕空氣中含濕量的定義式為：   

       其中：m₁濕空氣中水蒸氣的質量（kg）；m₂為濕空氣中干空氣的質量（kg）。

       水蒸氣擴散的邊界條件中需要給出水蒸氣的質量分數，濕空氣中水蒸氣分數m的表達式為：

       聯立（3）、（4）得出含濕量qa與水蒸氣質量分數m的關系式：

       將式（5）轉換如下：                 

       （3）水面的水蒸氣飽和分壓力Ps

       關于計算水蒸氣飽和分壓力（即當濕空氣的相對濕度為100%時水蒸汽的分壓力）的經驗公式，一般使用聯合國世界氣象組織（WMO）推薦的戈夫-格雷奇（Goff-Gratch）公式^[13]：

       水面溫度Ts＞273.15K時，

       式中：Ps單位是hPa。

       （4）熱交換的傳輸系數

       參考文獻[14]，水面處潛熱交換的傳輸系數CE取值為0.00145。

       1.2   水體表面蒸發率的UDF編程

       該UDF程序的基本流程：水體表面溫度的飽和含濕量qs利用水面溫度得到的水蒸氣飽和分壓力計算確定，測量點的風速u、密度ρa直接用 Fluent 提供的宏查找水面上方臨近網格的變量，而空氣溫度下的含濕量qa的取值是在讀取水面上方臨近網格的水蒸氣質量分數m后，用相應公式確定。最后將這些參數代入水分蒸發率計算式（2）中，然后將該值分配 F_PROFILE 通過水面邊界帶入模擬計算中。UDF程序流程見圖1。

圖1   蒸發率UDF流程圖

       1.3   水體表面蒸發數學模型的試驗驗證

       因為面積大于等于20m2蒸發池可近似于大水體的蒸發過程，因此本文依據長安大學渭水校區蒸發池原位試驗平臺數值計算模型，計算得到試驗平臺實測的氣象參數條件下的蒸發池的蒸發量，并將其與試驗得到的蒸發量進行對比，由此驗證計算模型。計算幾何模型如圖2所示。

圖2   蒸發驗證模型的計算域

       選定2014年溫度最高的7月22日中午14時的渭水實驗平臺的氣象數據，入口、出口來流溫度為40.3℃，相對濕度為28%，將選定的氣象參數代入相關公式得到相對應的水蒸氣分數為0.01466。地面邊界（y =0）為wall，參考西安地區土壤源熱泵熱響應試驗結果^[15]，設定20m深處的溫度為16℃，作為地面邊界條件；該層巖土的密度為2170kg/m³，比熱為511.5 J/kg·k，導熱率為1.75W/m·k。

       模擬計算結果，蒸發器的蒸發量為1.004×10^-4kg/s；20.25m²蒸發池對應時間的試驗蒸發量為1.125×10^-4kg/s。模擬計算結果與試驗結果進行對比，相對誤差為10.7%，基本吻合，因此此水體與大氣熱濕交換模型具有一定的可靠性。

       2   城市風環境的計算模型 

       2.1   研究區域

       本文將研究區域確定在西安市繞城高速以內（圖3），總面積約458平方千米，東西長約28.8km，南北寬約為19.8km。該區域的模型包括水體、建筑和道路。水體分布如圖3所示。

圖3   研究區域范圍及水體分布

       2.2   幾何模型

       本文對研究區模型進行了簡化：高層建筑20m以下部分與多層建筑合并，窄巷與附近建筑合并，由于研究區域地勢高度差相對模型尺度很小，因此不考慮，而主干道路以及重要水體以實際形態表現。幾何模型以鐘樓為坐標軸原點，x軸、z軸正向分別為東、南，y軸是高度方向，以米（m）為基本單位。幾何模型邊界外100~200m設置為計算模型邊界，整個計算域（見圖4）南北方向（z軸）長20200m，東西方向（x軸）長29330m，高度300m（地面高度設為0）。

 

圖4   計算模型軸測圖

       2.3   網格劃分

       鑒于模型尺寸龐大，需要先對其進行區域分割以得到更高的網格質量，區域序號見圖5，藍色為水體。所有分割面設為內部界面（interior）。網格采用三角形（Tri）的面網格，四面體混和體網格（Tet/Hybrid），網格劃分（局部）見圖7。網格劃分最終結果：總單元體數量為20324684，總面單元數量為42023856，節點數量為4078917。

圖5   幾何模型區域劃分圖

圖6   西安市區域3幾何模型

圖7   計算模型網格

       2.4   計算模型

       湍流模型采用RNG k-ε 模型，該模型在水體對熱濕環境影響方面的適用性已經得到驗證^[11]。

       2.5   邊界條件設置

       計算工況為穩定工況，水體簡化為水面，水面溫度設定為定值，通過現場實測的方法確定水面溫度。2016年7月9日至11日13點~16點對芙蓉湖、興慶公園內的水體、空氣溫度進行現場實測，14點的平均水面溫度為29.85℃，平均氣溫值為33.7℃，相對濕度平均值39.5%。另外，根據原位試驗蒸發器的水溫與氣溫的擬合公式 t =2.861+0.791ta^[16]，當氣溫ta為33.7℃時，水面溫度t為29.52℃，與以上測試值29.85℃之間的相對誤差只有1.1%，證明了測試數據的可靠性。除此之外，選定西安市夏季典型風向（東北風），夏日室外平均風速1.6m/s。

     （1）入口采用速度入口邊界。地面粗糙度指數設為0.22；出口邊界設為壓力出口邊界，出口表壓為0。入口、出口來流溫度33.7℃，相對濕度39.5%，將氣象參數代入相關公式得到相對應的入口、出口水蒸氣分數為0.01459。

     （2）地面邊界（y=0）條件為wall。具體設置同驗證模型地面邊界。

     （3）頂面邊界（y=300m）邊界設置為Symmetry。

     （4）建筑表面邊界設置為wall。此模擬只考慮夏季建筑使用空調排出的熱量對城市熱氣候的影響，并把空調排熱以面熱源的形式加入模型中的建筑表面，建筑表面邊界的熱流量設定為38W/m^{2 [17]}。

     （5）水面邊界設置為質量流量邊界（mass-flow inlet）。將相關參數編寫成UDF應用于水面邊界。水面邊界的水蒸氣質量分數設為1。

       3   模擬結果與分析

       模擬分無水體（工況一）、有水體（工況二）兩種工況，無水體時水體邊界設置與地面相同。

       3.1   速度場

       計算區域不同高度斷面的平均風速見表1，速度矢量場見圖8。

表1   計算區域不同高度斷面的平均風速

       從表1數據和圖8可以看到：隨著高度的增加，風速增大；城區西南區域9、10為下風側，風速相對最??；水體會影響城市風速增加，有助于城市通風；分析不同高度水體對風場的影響，從15m高度往上，隨著高度增加，水體對風場的影響逐漸減小，3個高度的斷面風速相對差值分別為2.35%、1.933%、1.615%；在1.5m高度，相對差值只有0.19%，從速度矢量場可以看到原因是影響范圍在這個高度好沒有展開，從局部上空看影響是很大的，如區域1的灞河上方風速由不考慮河面的0.4m/s左右（工況一）到考慮河面時提高到了1.2m/s左右（工況二）。

圖8   西安市不同高度平面風速矢量圖

       3.2   溫度場

       關于水域對城市溫度環境的影響，從不同高度平面溫度云圖9看到，1.5m高度時，水體上空在其冷卻作用下溫度降低，例如區域2的灞河上方溫度由約33.8℃（工況一）降低到約30.8℃（工況二）；且在EN風向下，對下風側一定區域的環境溫度起到改善的作用，例如西南區域9和10的平均溫度從約35.8℃（工況一）降低到32.8℃左右（工況二）。表2為計算區域不同高度斷面的平均溫度對比，從表中數據可以看到，水體對整體溫度場的降溫作用隨著高度的升高而減小。

圖9   西安市不同高度平面溫度云圖

表2   計算區域不同高度斷面的平均溫度對比

       從區域3中興慶公園湖體周圍縱剖溫度云圖（見圖10）工況一、二對比可知，水體中心為溫度最低點，在EN風向下，水體對下風側的溫度有明顯改善，圖10中區域3中水體下風側建筑（x=2350~3500m）表面的溫度從約35.8℃降低到33.8℃左右。

圖10  西安市區域3部分（興慶公園）剖面溫度云圖

       3.3   濕度場

       水體表面有一層濕度飽和的空氣層，與空氣環境形成蒸汽分壓力的差值，由此，水體中的水分會蒸發影響到周邊空氣濕度的提高。水體的蒸發量是由UDF實現的，見本文1.2節。

       圖11為不同高度相對濕度等值云圖，由圖中看到，1.5m高度時，水體蒸發產生的水蒸氣使得水體上空相對濕度升高，相對濕度最大值達到0.8；在EN風向的作用下，下風向很大一片區域的相對濕度達到了0.65左右；而對城市西北角的區域6、7（區域編號見圖5）大部分區域則影響很小，這是由于城市水體的位置以及風向的原因。高度為15m往上，明顯看到水體對空氣環境濕度的影響，影響區域同1.5m高處的，主要是在水域的下風側，整場來看，灞河、浐河對城市的濕環境影響最大。另外，圖中看到，50m、100m高度時，隨著建筑群落密度降低，濕氣得到了更均勻的擴散。

圖11   西安市不同高度平面濕度云圖

       由區域3中興慶公園湖體周圍剖面相對濕度云圖（見圖12）對比可知，水體中心相對濕度最高（＞80%），在EN風向下，區域3中水體下風側x=2350~3500m范圍的相對濕度達到了0.6。

圖12   工況二時區域3部分（興慶公園湖體）剖面相對濕度云圖

       4   結論

     （1）水體會影響城市風速增加，有助于城市通風。在1.5m高度，從局部上空看影響很大，如區域1的灞河上方在不考慮或考慮河面影響條件下，風速分別約為0.4m/s、1.2m/s；隨著高度增加，水體對風場的影響逐漸減小。

     （2）水體的存在對其上空有降溫作用，且對下風向一定區域的環境溫度起到改善的作用，例如1.5m高度，西南9和10區域，無水體時平均溫度約35.8℃，有水體時降低到32.8℃左右。水體對整體溫度場的降溫作用隨著高度的升高而減小。

     （3）水體對其上空及下風向一定區域有明顯加濕作用；整場來看，灞河、浐河對城市的濕環境影響最大；城市西北角部分區域不屬于大水域的下風側，相對濕度仍較低。垂直方向上，水體的加濕作用隨著高度的增加而越來越小。

     （4）下風側是城市最有可能出現熱島效應的區域。西安市主城區建筑密度大，加之主導風向為東北風，導致城市西南區域形成負壓區，風速小，溫度偏高。

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注：本文收錄于《建筑環境與能源》2017年5月刊總第5期《2017全國通風技術年會論文集》中。
       版權歸論文作者所有，任何形式轉載請聯系作者。