城市建筑组合动力粗糙度z0曲面形成机理的风洞模拟

结合广州市与珠江三角洲城镇现状形态类型与演变，总结城市立体形态在平面、高度、密度和超高建筑方面的特征，设计城市建筑物在平面上由小到大、垂向上由低到高、由稀疏向高密度、由单高度中心向复合高度中心、由均质向复合多级演化中形成的同性与异性建筑的组合类型。基于边界层风洞，消除热力与水分的影响以突出动力粗糙度因子；考虑到地形对城市边界层的影响，在珠三角中性条件下，由低到高选取平均高度3m单体房屋、3m村、6m镇到20m小城市，进行野外风廓线的观测；通过不同空间尺度野外观测与风洞试验数据的对比，确定合理的模型比例。基于城市单体建筑、同性建筑组合、异性建筑组合系列与尺度系列的风洞试验，分析复杂城市建筑组合下z0曲面的形成与不同空间尺度下z0曲面的转换，从而系统揭示z0曲面对不同粗糙元组合与空间尺度的依赖机理。z0 研究的基础性，将在风沙防治、城市规划、城市热岛与污染控制中发挥重要的作用。

复杂地形、特大城市、流域风场效应，以及整体城市与所处地形风场相互作用机理的研究有助于城市规划的优化、城市热岛与污染的控制。目前国内外小比例尺或变形比例尺风洞模拟中理论薄弱，项目研究的目标就是通过特大城市建筑组合下z0曲面的“尺度效应”与“组合效应”机理的探讨，来满足城市环境优化管理的需求。成果主要体现在广州清末以来六阶段建成区大比例尺建筑立体形态演变序列的构建、基于多层风速数据确定对数廓线参数方法的提出、以及将d与z0作为综合指标来表征粗糙度会更具有物理意义的对数廓线机理三方面。通过城市平均高度、高度轴、天际线、宽高比与城市建筑组合等城市形态指标，分析了1835年1:500、1907年1:2500、1928年1:1万、1950年1:2000、1990年1:2000和2010年1:2000六阶段的立体形态特征特征和演变。针对过去对数廓线确定中，参数确定主观性强的问题，利用多层风速数据，以分段拟合、多d匹配、精度控制、厚度优先的思路设计了程序，可以相对客观地确定对数廓线。基于广州1:7000水平比例尺，1:500、1：1000和1:2000三个垂向比例尺模型的风洞模拟，从对数廓线精度与数量、精度与平均厚度、精度与高度分布、风廓线的组合方式、最大u*出现的高度以及z0与d的关系几方面分析廓线内部构成机理，表明在一定精度约束下，d与z0呈相互替代的反比关系，两者共同作用使对数廓线模拟更加精确，将d与z0作为综合指标要比两参数单独来表征粗糙度会更具物理意义。此外，项目综述了国内外半个多世纪以来小比利尺风洞模拟中的理论研究与应用，认为已有的变形理论含糊，无法指导小比例尺风洞模拟。分析了b类边界层中性流条件下，水平比例尺1:7000广州市核心建成区在东南与西北两风向下由回流、加速、减速区组成的风场特点。目前大多风洞采用固定式皮托管风速量测，无法满足移动量测的需要。以减小测管外径、动压管外径、缩短测管长度、减少测孔数量、测管内部导出动压管等多种方式以降低对流场的干扰，并通过在风洞底部穿透模型植入测管可实现风机运行时连续量测等多种改进思路，设计制作了可移动的15测点的风速测管。项目所设定的目标基本完成，只是原计划内容在执行中适当进行了收缩，主要的研究成果将陆续发表。今后将深入集中研究小比例尺特大城市立体形态的科学表达方法以及对数廓线中z0与d对建筑组合的依赖机理。