1、室外绿化景观源项化模拟研究及应用,清华大学 建筑节能研究中心清华大学 建筑技术科学系,PHOENICS用户交流会，2007,背景：当前小区景观设计的问题,非本地树种,绿化稀少，或者布局简单,过密的灌木绿化，通风不良,绿化无生态价值,随意的水体设计，大部分时间无水；下垫面材料选择不当,需求,急需提供量化评价景观设计的生态效应，对热岛的缓解作用的有效手段建设部标准绿色建筑评价标准、绿色建筑技术评价细则、国家环保总局标准生态住宅（住区）技术认证标准中均要求：评价室外风环境，要求：冬季室外风速不高于5m/s，建筑前后压差不超过5Pa；夏季无涡旋死角，建筑前后压差不低于1.5Pa室外热岛效应，要求：热岛
2、强度不高于1.5,景观绿化对室外热岛有多重作用，需要量化评价,其中：绿化对风环境、热岛影响明显，在模拟评价中不能忽略其作用水体、湿地的降温作用也需要进行准确描述问题的提出：以前的建筑周围风环境模拟中，基本上不考虑植物存在的影响。这在植被稀疏、树木较少的情况下是可以的，否则不能忽略。能不能直接拿城市气候学里的模型来用？,三维植物冠层流动模拟,方法：在流动方程中增加源项,连续性方程：,修改后的动量方程：,修改后的k方程：修改后的方程：,与风洞实验的对比,冠层模型源项中参数Cpe研究,目前冠层流动模拟最大的不同,推荐Cpe1、Cpe2取值为1.8和0.6,不同树形对流场影响模拟分析,模型参数选择优化
3、研究（ Cpe1）(Mochida et al.,2004),築地松 （Rectangular-cutted-pine-trees as wind-break ）, By comparing CFD results with measurements, Cpe1 was optimized.,(x/H=5),(x1/H=4),(x1/H=3),(x1/H=2),(x1/H=1),(x/H=5),(x/H=4),(x/H=3),(x/H=2),(x/H=1),(x1/H=5),(x1/H=4),(x1/H=3),(x1/H=2),(x1/H=1),(x/H=5),(x/H=4),(x/H=3),
4、(x/H=2),(x/H=1),(x/H=5),(x1/H=4),(x1/H=3),(x1/H=2),(x1/H=1),(x1/H=5),(x1/H=4),(x1/H=3),(x1/H=2),(x1/H=1),树后垂直方向速度轮廓线比较,: 实测,: CFD,(1) Cpe1=1.5,(2) Cpe1=1.6,(3) Cpe1=1.7,(4) Cpe1=1.8,(5) Cpe1=1.9,(6) Cpe1=2.0,a=1.17m2/m3,Cf =0.8-,Type B model(Cpe1=1.8),measurement,垂直速度分布比较 (Cpe1取值设为1.8时),推荐选值1.8,Cd值选
5、择的讨论及说明,Cd （拽力系数）会直接影响植物冠层对流动，因此在建筑环境领域应用时需仔细选取,实例应用1：不同绿化方式对居住区热岛效应和热舒适的模拟分析,不同绿化方式对居住区热岛效应和热舒适的模拟分析,风向风速1.5 m/s at 10m 高度,气象数据（7月21日）,灌木,草,树,总的绿量率（3600m3/m2）,住宅楼,边界条件设定：,1.5m气温分布（草）：12：00,1.5m气温分布（灌木）：12：00,1.5m气温分布（树木）：12：00,1.5mSET分布（草）：12：00,1.5mSET分布（灌木）：12：00,1.5mSET分布（树木）：12：00,在相同绿量（LAD）下，不
6、同绿化方式对居住区热岛效应（温度）和热舒适状况（SET，标准有效温度）的影响,由于草、树木和灌木对风速的衰减作用和对太阳辐射的遮挡作用不同，对热岛和热舒适的影响不同,北京；7月21日；南风；风速1.5m/s；来流空气温度29,以24h为周期，传导、辐射、对流耦合计算,住宅楼,草坪,灌木,树木,SET比较（10:00）,草坪,灌木,树木,MRT比较（10:00）,草坪,灌木,树木,SET比较（12:00）,草坪,灌木,树木,MRT比较（12:00）,草坪,灌木,树木,SET比较（15:00）,草坪,灌木,树木,MRT比较（15:00）,分析,10:00、15:00时建筑东、南、西面周围环境1.5
7、m高处的MRT和SET值的高低顺序是：树木灌木或草坪。树木对其周围热环境的改善效果最好，灌木和草坪则差别较小。建筑北面由于基本处于建筑阴影之下，无论树木、灌木还是草坪，差别都很小 但在12:00，建筑南面周围环境1.5m高处的SET值基本没有区别，甚至树木绿化对应的SET值略高 不同绿化对室外热环境影响与具体的时刻、实际的建筑布局、朝向等条件 有关,东西朝向不同形式绿化比较,分析,无论12：00、15：00，总的说来，树荫下最舒适，其次是凉亭，最后是灌木和草坪（二者差别不大）在后排建筑的东西朝向，凉亭的效果和树木差不多，原因是树木对风速有一定的衰减作用，因此尽管树荫下的平均辐射温度略低于凉亭下
8、，但二者的热感觉基本相同,不同树木布置方式的比较,（Case 1）,（Case 2）,（Case 3）,（Case 1）,（Case 2）,（Case 3）,MRT比较（15:00）,SET比较（15:00）,小结,多数情况下（不同时间、建筑不同朝向周围环境）树木对夏季室外热环境的改善作用较好，而灌木则和草坪相差不大存在树木对周围热环境改善效果不如灌木和草坪的情况 对于不同朝向的建筑而言，相同绿化形式在不同时刻对热环境的改善效果不同 即便是完全遮挡阳光的凉亭，由于自身材料蓄热和长波辐射作用，它对热环境的改善效果一般情况下反而不如树木,实例2：上海世博园住宅重置区景观绿化模拟优化研究,工作内容,
9、上海世博会需要对原居住居民进行重新安置，重建小区上海植物园负责新建小区的景观、园林设计工作根据十一五课题“景观绿化与热岛缓解技术”要求，清华大学和上海植物园合作，利用模拟技术对不同的景观绿化进行评价、改进在这里，不同的模拟方法进行的比较分析，给出了设计建议，这也是CFD模拟技术全面和景观、园林规划相结合的重要探索,Case study 1: Block 15#,CFD model with trees,Focused spots,5 tracers to analyze the differences between two cases (with trees & without trees)
10、,Boundary conditions,Log-law inflow profile is used, reference velocity 3.2m/s, SE wind directionAlso simulate the NE wind direction to gain more conclusionsIn this case all the plants are considered as the same, such as arbors(植樹) or shrubs(低木),Velocity distribution (SE),In this case the difference
11、s are not very significant,Wind direction,Pressure distribution (SE),Wind direction,Top: without treesRight: all shrubsTop Right Corner: all arbors,Velocity distribution (NE),Wind direction,Pressure distribution (NE),Top: without treesRight: all shrubsTop Right Corner: all arbors,Wind direction,Disc
12、ussions,Wind velocity is much lower when the plants are all shrubs because shrubs have a larger Cd and a larger LAD (leaf area density) shrubs shouldnt be located at the upwind side of a district for the sake of good ventilation in the district.Arbors can also reduce the wind velocity, besides arbor
13、s can provide shadings in summer and allow sunshine in winter after leaves fall.,Case study 2: Block 11# A Much more complicated case,Nearly 10 kinds of trees are involvedAll trees are modeled as real size and parametersAll tree parameters are from experimental data A main wind direction of SE is si
14、mulatedAlso simulate the NE wind direction to gain more conclusions,CFD model (these colorful things are different kind of trees),Plants parameters,Velocity distribution (SE),Trees can affect the wind velocity distribution obviouslyPlanting Street trees is a effective way to reduce the wind velocity
15、 between buildings,Wind direction,Velocity distribution (NE),Wind velocity in the district is much lower when plants are considered The upwind side plant plays a significant role in this case. Plants in the district also reduce the wind velocity Number of tree should be reduced in some region to ens
16、ure good ventilation,Wind direction,Result without trees,Result with trees,Pressure distribution (NE),Pressure distribution is more uniform when trees exist,Result without trees,Result with trees,Wind direction,Discussion,How detailed is accurate enough?A large amount of calculation will occur when
17、heat transfer is also involvedOne way is to use a second software to get the solar radiation distribution and building surface heat gain which can serves as boundary conditions in CFD.Another way is to simplify the around buildings and plants as one porous media, use uniform parameters to simulate t
18、he characteristic of all the surroundingsstill in research.,Alternative,Use block model to simplify the calculationTreat different kinds of trees as one block which can reproduce the characteristic of real trees The block model shows good agreement with the old modeling way,喷泉对室外热环境影响的模拟研究,实验情况,Over
19、land fountain 99 喷口1.7 m 间距仪器标准黑球自计仪电敏式温度自计仪温度自计仪热线风速自计仪,喷泉对周围热环境影响的实验研究,Result and Analysis,轴线上空气干球温度变化,喷泉两侧干球温度,喷泉后方较远处气温变化情况,下风处气温下降 2.04.0 周围气温平均下降1.5迎风侧基本无影响,实验结果,喷泉周围黑球温度变化,轴线上相对湿度变化,喷泉两侧相对湿度变化,喷泉模拟方法,1、从单个水珠出发，建立了水珠与空气的热质交换的计算公式，同时采用拉格朗日方法，在PSI-CELL模型的基础上，给出空气与水珠热质耦合计算的数学模型，并且将模型嵌入CFD软件中2、对直管
20、压力射流破碎过程进行模拟分析，进而模拟了喷泉周围热环境，并将模拟结果与实验测量结果进行了对比，验证了喷泉模型的准确性,喷泉模拟方法,3、根据小区环境联合模拟程序的特点，给出了喷泉嵌入联合模拟程序的方法；4、对影响喷泉周围热环境的各参数进行数值实验,拉格朗日方法,水珠在空气中的运动轨迹,动量方程,时间步长,流速,标准偏差,水珠的数量不能满足连续性的要求，水珠在计算空间的分布很不均匀；粒径分布范围较广，水珠沿轨迹运动时，直径变化较大；如果采用欧拉方法，必须采用多粒径模型，不仅需要大量的硬件资源，同时也会导致比较严重的数值发散问题；,PSI-CELL 模型,连续性方程,各种源项方程：,将水珠对空气的
21、影响考虑成空气的质量、动量和能量源项整个连续态流场通过欧拉方法求解离散的差分方程得到,水珠的轨迹、尺寸和温度变化过程通过对水珠在流场中运动方程进行积分得到，采用粒气热质交换率，计算采用拉格朗日方法,平均粒径分布计算,平均直径,采用SMD D32平均直径模型用于质量传输研究,基于最大熵原理,粒径变化范围0, 直径分布公式：,对于压力旋转喷嘴:,水珠轨迹模拟与实际的对比,Side view,Front view,对影响因素进行研究，包括:来流风风速射流条件，包括喷水水温、平均粒径SMD、射流速度和喷水流量；喷泉布局，包括喷嘴的并排与叉排、喷嘴布置长宽比和喷嘴间距等标准工况为：干球温度32.7 ，相
22、对湿度47.5%，含湿量14.7 g/Kg干空气，来流风速2.9 m/s，射流水温为24.5 ,size:80m47.5m20m喷嘴直径：2mm,不同来流风速的影响,（a1） DBT（1.5m/s） （b1） DBT（4.5m/s）,（a2） RH（1.5m/s） （b2） RH（4.5m/s）,SET（1.5m/s）,SET（4.5m/s）,DBT,RH,DBT,RH,21.5 ,27.5 ,21.5 ,SET,27.5 ,SET,不同喷水温度的影响,DBT,RH,DBT,RH,Cross flow,Parallel,SET,SET,Parallel,Cross flow,不同喷泉布置方式的影响研究,结论,模拟表明：布置在空旷区域（提高来流风速）、降低喷水温度是提高喷泉周围热环境最合理有效措施；也可以通过改善喷嘴性能来降低粒径大小；喷泉射流高度控制在3.5 m左右，不建议通过提高射流速度和喷水量来提高热舒适性；喷嘴的排列选用并排的方式，并且增大垂直来流风方向的长度，而减小沿来流风方向的布置数量,谢谢！欢迎交流、讨论！,
