树木的空间布局对典型街谷内部空气流动的影响

发布时间：2020-03-22 10:42

【摘要】：随着城市化进程的加快,预计到2050年全球约66%的人口将居住在城市,城市街道峡谷内部空气质量与人类健康密切相关,近年来有部分学者从空气动力学角度指出:用树木来缓解街道峡谷内空气污染的措施并不可行。本文依据微尺度气象模型质量保证与改进行动计划(COSTAction732)最佳实践指南、日本建筑学会(AIJ,Architectural Institute of Japan)CFD模拟建筑物周围行人风环境的实施指南、住宅设计规范(GB50096-2011)、民用建筑设计通则(GB50352-2005)和现实生活中行道树的株距确定数值模拟的边界条件和相关参数设置,设计了深浅街谷内种植疏密不同的树木绿化方案,开展了树木空间布局的疏密性和均匀性对典型街谷(以街谷高宽比H/W表示)内气流流动的CFD模拟,着重分析了不同树木绿化措施对行人呼吸高度气流的影响。主要成果如下:(1)树木对街谷内气流的影响总体呈现减弱作用,分别为:树木减弱了街谷两端随角涡渗入街谷内部的气流,迎风侧屋顶下沉渗入街谷内部的气流和迎风建筑物背风侧回流而渗入街谷内部的气流。此外,树木还减弱了浅街谷(H/W2)中部由迎风侧流向背风侧的气流,以及深街谷(H/W≥2)两端倾斜下沉到达树冠底部的气流。CFD计算结果表明:浅街谷内随树木株距的减小,街谷两端和中部气流流速逐渐降低;深街谷内树冠底部气流流速降低。(2)均匀植树的典型街谷,随着H/W的增加,树木对气流的影响呈现由阻碍作用向促进作用转变的趋势。建议采用较宽间距的树木种植方案,如株距20米;均匀种树使得行人呼吸面气流平均相对强度,随H/W的增大,从减弱5～10%到增强7～18%。(3)均匀树木种植下,行人呼吸面气流平均相对强度Sxrhx、迎风面/背风面气流平均相对强度Syfm/Sbfm和树木占街谷相对体积Vo之间存在线性相关关系。Vo与Sxrhx呈负相关,即树木种植越密集对行人呼吸面气流阻碍作用越明显。(4)非均匀植树的典型街谷,在不同几何尺寸街谷内由于树木增强湍流的空间分布差异,树木空间配置对典型平面气流的影响变得非常敏感,需要结合具体的街谷几何形态和树木种植空间配置进一步测试树木种植方案对气流的影响。本文模拟并分析了均匀和非均匀树木种植对典型街谷几何内气流的影响,研究结果可为城市规划中确定树木种植策略提供参考。然而,街谷内的气流运动还受到太阳辐射引起热对流,真实城市建筑高低错落布局,汽车停放障碍物等因素影响,后续将开展相关方面的研究。
【图文】：

工作流程图,湍流数值模拟,方法,离散方程

连续的物理量的场，如速度场和压力场，用一系列有限个离散点上的变量值的集逡逑合来代替，，通过一定的原则和方式建立起关于这些离散点上场变量之间关系的代逡逑数方程组，求解代数方程组获得场变量的近似值［６Ｍ３］。图２＿１展示ＣＦＤ具体工逡逑作流程。逡逑＇邋建立控制方程￣￣逡逑士邋＊逡逑确定初始条件和边界条件逡逑士逡逑划分计算网格，生成计算节点逡逑ｓ逦｜逦建立离散方程邋｜逡逑离散初始条件和边界条件｜逡逑给定求解控制参ｑ逡逑￣邋士逦￣￣逡逑求解离散方程｜逡逑否逡逑显示和输出计算结果逡逑图２－１邋ＣＦＤ工作流程图逡逑１０逡逑

现实世界,树木

描述了通过在动量方程中添加附加源项来表达树木对气流影响的方法。逡逑１）树木的表达逡逑现实世界中的树木有各种形状，如图２－３所示，（ａ）、Ｃｂ）和（ｃ）分别为现逡逑实世界中的榕树、香樟和柳树三种树木。由图可知，树木由枝、干和叶组成，因逡逑树木的树冠具有很大孔隙率且孔之间互通故可将树木作为均匀多孔介质处理。采逡逑用孔体积率尸ｖ。／邋（树木的叶和干占据体积与总树木占据体积之比）来代表树木面逡逑积密度。逡逑（ａ）榕树逦（ｂ）香樟逦（ｃ）柳树逡逑图２－３现实世界中树木逡逑本文懫用Ｇｒｏｍｋｅ等提出的植被建模概念，运用附加源项法表达多孔介质对逡逑气流的影响［６９］。树木的空气动力特征描述为压力损失系数１邋（ｍ－１），强制流动条逡逑件下公式为：逦《逡逑１邋＿邋ｓｌａｔ邋＿邋Ｐｗｉｎｄｗａｒｄ邋Ｐｌｅｅｗａｒｄ逦，ｉ邋ｉ、，＿邋．邋＿、逡逑（ｍＷｄ逦公式（２－１０）逡逑式中，ＡｐｓＩａ，为多孔障碍的迎风面和背风面的静态压力差，／７＋？为动压，Ｗ为逡逑平均流动速度，Ｊ为沿流动方向多孔介质的厚度。真正落叶树的Ｐｖ。／范围从逡逑９６￣９７．５％，孔体积率八。／邋＝邋９６％邋（密集填充）代表低冠孔隙率，对应／＾ＳＯＯｒｎ－１。逡逑多孔介质模型表达为在标准动量方程后添加一个动量源项
【学位授予单位】：福州大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2018
【分类号】：TU119;S688

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