城市建筑群空间非均一性对风环境影响的机理研究

Unique complex distributions of non-uniform buildings is one of the most significant causes for forming urban local wind environment, and up to date there is lack of systemic and quantitative studies severely. Based on the idea of drag evaluations of bluff body flows, this project aims at the morphological parameterization models of urban buildings steric pattern effects on aerodynamic characteristics, as well as indicates mechanisms of non-uniform urban buildings influences on air flow. Firstly, it decouples the horizontal and vertical heterogeneity of the distribution in space based on urban buildings morphology, and then the parameterization scheme of urban buildings non-uniformity at horizontal dimension is developed. Secondly, the mechanism of local wind environments and atmospheric turbulence construction under buildings non-uniformity at horizontal dimensions is studied, by using wind tunnel experiments and CFD simulations as well as constructing the atmospheric dynamic characteristics calculating models of buildings non-uniformity in horizontal direction. Thirdly, for effects of non-uniformity in vertical direction, the project studies distribution models in vertical direction, with the main method of numerical simulation and assistant method of wind tunnel experiments. Then the project combines with the existing simple canopy model to establish a novel multi-layer dynamic canopy model for urban area. Based on the theories of urban and building environment, urban climatology and urban design, this project gives new understandings of the wind environment within real complicate urban area. The achievements of this project offer theoretical support on the solution of urban local climate problems by green building design, eco-city planning.

城市中复杂的空间非均一化建筑群是城市局地风环境的重要成因，目前缺乏系统和定量化研究。本项目基于钝体绕流阻力计算的思想，旨在建立建筑群形态特征对大气动力特性影响的参数化模型，探索空间非均一化建筑群对大气流动影响的物理机制。首先，从城市建筑群形态出发，对空间非均一性在竖直方向与水平方向解耦，建立城市建筑群水平降维非均一化的参数化方案；其次，利用风洞实验和CFD模拟，探讨水平降维非均一化影响大气湍流结构及风环境效应的机理，建立水平方向非均一性的大气动力特性计算模型；最后，对竖直方向非均一性的影响，采用以数值模拟为主风洞实验为辅的方法研究其竖向分布，进而与现有冠层模式相结合，开发新的非均一多层动力城市冠层模式。本项目以建筑环境学、城市气候学、城市规划等相关理论为基础，为准确评价复杂建筑群区域风环境，改善城市局地气候，从城市风环境层面为绿色建筑设计、生态城市规划方法提供理论和技术支持。

本项目基于钝体绕流阻力计算的思想，建立了建筑群形态特征对大气动力特性影响的参数化模型，探索了空间非均一化建筑群对大气流动影响的物理机制。本项目属于实现非均一建筑群影响大气动力学特性模型预测工业应用之前的机理性基础研究。.主要研究内容包含：（1）建立了建筑群空间非均一性特征分析的降维及参数化方案，首次提出了非均一建筑群的风廊道指数，融合了路网对建筑群布局的分辨能力，形成了有效描述建筑群布局和流动阻力的参数化方法，提出了可以较为全面描述建筑群非均一特性的形态因子及其描述方法。（2）风洞实验探究复杂建筑群对大气边界层流动影响，考察了局部形状拖曳的分布规律及对整体拖曳的贡献，建立一种非介入式建筑群整体拖曳力测量的方法，探究了几个形态参数对建筑群拖曳力系数的影响机理。（3）基于高精度的LES数值模拟方法，分析非均一建筑群形态影响大气边界层流动机理。建立了基于PALM模式的非循环边界数值模拟LES技术，实现了准数值风洞试验。深入分析了非均一建筑群影响大气湍流结构及其对大气动力特性的内在机制。（4）初步建立了考虑建筑群空间非均一特征的城市风环境参数化模式，建立了非均一建筑群形态学参数对拖曳作用影响的参数化模型。建立了可精细评价建筑群空间非均一性对大气动力特性影响的城市风环境参数化模型。.重要研究成果包含：(1)提出了可以较为全面描述建筑群非均一特性的形态因子及形态特性参数化方案。(2)提出了非均一建筑群的风廊道指数，并明确其物理意义。(3)基于对建筑群中少数代表性建筑表面压力的测量，建立了一种非介入式建筑群整体拖曳力的简化确定方法。(4)实验研究得出四个非均一建筑群形态参数的作用机理，建立考虑建筑群非均一性影响的粗糙特性模型，初步提出一种复杂建筑群风环境参数化模式。.本项目形成了城市建筑群非均一形态特征对大气动力学特性影响的预测模型，从而为城市气候评价、热岛效应估计、城市精细气象预报、建筑外环境优化等提供理论和技术支持。