道路绿化型式对自然通风影响的计算流体力学仿真分析

摘要 通过建立通风环境计算体系，结合绿化植物多孔介质三维冠层结构的模型建模，利用计算流体力学CFD仿真软件模拟研究了不同绿化型式对道路自然通风效果的影响。在此基础上，对现场实际测试结果进行了拟合度检验分析。结果证明，乔、灌木绿化型式下的自然风速明显低于单纯乔木绿化型式，表明有灌木层的存在，直接导致了道路空气流通速度的明显下降。计算机模拟与实际观测的风速衰减率数值有着良好的拟合度，CFD仿真分析能较好地再现道路绿化实际自然通风状况。最后指出CFD仿真技术在预测生态绿化改善城市通风及热环境方面有着广阔前景。

关键词 ：道路绿化；绿化型式；自然通风；计算流体力学；仿真分析

中图分类号： TU024；X7

文献标识码：A

文章编号：1671-2641（2012）06-0000-00

近年来，随着CFD（计算流体力学）技术的长足进步，计算机仿真模拟设计不仅在绿色建筑和城市规划领域得到了极大的应用和普及，还从室内走向了建筑外环境。一些研究者开始尝试在不同绿化型式对于室外热环境和风环境的影响方面开展数值模拟研究比较[1]。但是，由于植物自身具有的流动性冠层、蒸腾介导热质传递等特性，用对于计算机模拟绿化植物的流体环境计算机模拟仍面临着是个难题，制约了CFD技术在定量预测绿化对于通风环境和热环境的影响方面的发展[2]。本文通过建立绿化植物的三维冠层模拟方法，结合植物冠层分析技术，建立绿化植物多孔介质模型，模拟研究了两种绿化型式对广州城市道路自然通风环境的不同影响。在此基础上，与现场测试结果进行拟合度验证，以期帮助定量化评价、优化道路绿化设计，进而为改善城市自然通风环境和建设生态城市提供技术支撑。

1研究方法

1.1样地概况：

测试的道路绿地斑块位于广州市海珠区的南洲路（E113°19′， N22°47′），测试路段为东西走向，道路绿化植物种类简单，长势良好。绿化型式分为两种：一种为纯行道树绿化，乔木层种类为非洲桃花心木（Khaya senegalensis）；另一种型式为行道树

基金/项目： 国家星火计划项目（No.2011GA7800）、广东省科技攻关项目（ 2009B021500004）、广东省教育厅高层次人才项目和广州市教育局羊城学者科技计划项目（10B004D）。

第一作者简介： 聂磊（ 1973- ） ， 男， 吉林长春人， 博士， 教授， 研究方向为园林生态、绿地植物。

下整齐种植有灌木层，种类为黄金榕（Ficus microcarpa cv.Golden Leaves），其组成效果如图1所示。测试路段的道路两侧退界距离达到20 m以上，参考岩田达明等的分析结论，对道路绿化风场的影响视为忽略不计[1]。

1.2 植物冠层结构建模：

测量单株植物的树高、枝下高、冠幅、胸径、树冠外轮廓曲率拐点坐标等形态特征数据，其中曲率拐点坐标采用手持红外线测距仪测定。运用3DMAX软件建模出圆柱形、圆球形、尖塔形、圆锥形、卵圆形、倒卵形、钟形、伞形等园林植物冠层的不同结构类型。其中非洲桃花心木为倒卵形树冠，黄金榕为卵圆形树冠。

1.3多孔介质模型参数设定：

由于植物冠层可视为多孔介质，因此必须计算不同植物冠层模型的空隙度。冠层空隙度可由冠层分析仪测出，在阴天或晴天清晨，采用基于半球摄影的HEMIVIEW冠层分析仪对单株植物进行冠层数据采集，用鱼眼镜头捕获不同方向的冠层图象后，应用Delta-D软件计算太阳光直射透过系数，从而得出群落的叶面积指数（LAI）及冠层空隙大小、间隙率参数等指标数值。经计算非洲桃花心木树冠的空隙率在0.09～0.15范围内，黄金榕在0.04～0.10范围。

1.4 CFD仿真分析

：模拟工具为英国CHEM公司开发的PHOENICS软件，设定的气候条件参数为：东南方向（广州夏季主导风向），参考风速为2.0m.s-1（广州夏季平均风速），区域温度为28℃（广州最热月室外平均温度）[3]。边界风速满足梯度风变化v/v0=（z/z0）α，其中，v0为标准高度处的风速， 取2.0m.s-1，z0为标准高度，取10m，α为地面粗糙程度， 取0.0333。自然通风环境通用模拟体系由空气模型、植物冠层模型、下垫面固体传热模型构成[4]。采用流场模拟计算耦合迭代求解，利用有限差分法求解空气流场模拟计算的边界条件，由空气流场计算程序模拟得到整个计算区域空气的速度场和压力场，通过软件设置固定观测点，得出1.5m和3.0m高度的风速云图与压力图。

1.5计算机模拟与实际观测数值的拟合度检验

：采用风速衰减率（R）来讨论不同绿化型式影响下的自然通风效果。R=1-Vi/Vo，其中，Vi，Vo分别指绿化带下风向及上风向观测点的风速（m·s-1）。从绿化带设定起点每隔5m共设置10处观测点，在每处观测点的前后各5m，采用美国Kestrel 4500手持式气象仪测定不同型式绿化带上风向及下风向的实时风速，高度为1.5 m。在计算机模型内输入上风向的实时风速，测出相同坐标的10处观测点的下风向模拟风速，并计算风速衰减率。采用SPSS18.0软件进行风速计算机模拟理论值与实际观测数值的拟合度回归模型检验。

2 结果与分析

2.1 不同绿化型式对自然通风的影响结果

大约2m高度以下的城市空间是人们经常活动的区域高度大约在2 m以下，同时，3 m高度以上的道路绿化空间中，仅存在有乔木层分布，灌木层是无法达到这个高度的。故本文对1.5 m和3 m高度处的风速进行了分析。一般认为，风速>1m.s-1时，在夏季室外人们感觉是舒适的，风速>5m.s-1时， 会影响人们的活动[5]。所以，1～5m.s-1之内的风速，是比较理想的室外风速。经CFD仿真模拟，结果表明单纯乔木绿化的型式下，1.5 m高度的模拟风速达到了1.64 m.s-1的风速，而3 m高度的模拟风速达到了1.31m.s-1的风速，都有着令人感觉较为舒适的自然通风效果（图2、3）。

绿化型式对于城市道路空气流动有着重要影响。有研究表明，行道树对污染物扩散的阻碍作用主要受控于树木郁闭度而非绿量。当行道树植株间距较密，形成枝杈搭接时，茂密树冠会在道路上方产生顶盖效应，阻碍污染物向上扩散，导致道路两侧污染物浓度升高，恶化街区大气环境。污染物扩散速率很大程度上受到街道内气流铅直湍流强度的影响。对于没有树冠顶盖的街道，街谷内有较大的风速梯度，这将会有利于增强机械湍流的增强[6]。但在行道树郁闭度较高的街道内，高大茂密植物在减低风速的同时，不仅导致街区内部气流的垂直涡动减小，也大大减弱了绿化带内外气流的垂直交换。我们的计算机仿真模拟结果表明，1.5 m高度时单纯乔木的绿化型式较乔木+灌木绿化型式的0.47m.s-1的风速多出了近70%，而3 m高度的模拟风速较乔木+灌木绿化型式的0.73 m.s-1多出了44.3%，表明有灌木层的存在，直接导致道路空气流通速度明显下降（图2～、3）。之所以1.5 m处单纯乔木绿化的道路风速较高，主要是因为非洲桃花心在1.5 m处仍处于枝下高以下，且无灌木层遮挡阻碍空气流通，因为风速衰减的较少；而在3.0 m高度时，乔木冠层对于自然空气流通起到了明显的阻碍效应，因此下风向观测点的风速纪录仅为1.5 m处风速的79.9%，整个模拟区域的风速也明显下降。

2006年建设部发布的《绿色建筑评价标准》中要求热岛强度不高于1.5℃，同时夏季无涡旋死角，建筑前后压差不低于1.5Pa[7]。CFD计算机模拟结果表明，由于道路绿化处于开阔的室外空间，道路绿化带上下风向之间的正负风压维持在0.5～0.8Pa之间，基本上无法维持较为明显的风压。

2.2计算机模拟与实际观测数值的拟合度检验结果

对1.5 m和3 m的CFD模拟风速衰减率和实地观测的风速衰减率计算结果进行了线性回归模型的拟合度检验分析，其中1.5 m风速衰减率的拟合度R2=0.726（P<0.01），3 m风速衰减率的拟合度R2=0.815（P<0.01）。结果表明，计算机模拟与实际观测的上下风向及风速衰减率数值有着良好的拟合度，CFD仿真分析能够较好地再现道路绿化实际自然通风状况（图4）。

3结论与讨论

CFD（Computational Fluid Dynamics）是近代流体力学、数值数学和计算机科学相结合的产物。随着近年来 CFD 物理模型和计算方法的不断完善和改进，计算机运算速度的不断提高，许多成熟的商业化CFD计算软件得到了不断地推广。CFD研究以 3 大守恒定律（质量守恒定律、动量守恒定律和能量守恒定律）作为计算的控制方程，采用有限体积法（Finite Volume Method）把连续的计算域离散成许多个子区域（体积单元），借助高性能计算机在每个体积单元上对控制方程组进行数值求解，进而在整个计算域上分析流体流动、传热和传质的规律[8]。近年来，CFD技术已广泛应用于绿色建筑领域，在该领域 CFD 被用来模拟室内外气候环境，然而在园林绿化领域，仍属于应用的初步阶段。目前通用的CFD 软件主要有CFX、FLUENT、STAR-CD、PHOENICS以及FIDAP等类型，其中PHOENICS是世界上第一个投放市场的 CFD 商用软件（1981），可以算是CFD商用软件的鼻祖。这一软件中所采用的一些基本算法，如SIMPLE方法、混合格式等，由该软件的创始人D.B.Spalding及其合作者S.V.Patankar等所提出，并得到广泛验证和应用[9，～10]。

城市绿化对于改善环境质量、获得清新洁净的空气、有效降低城市热岛效应有着不可替代的重要意义。自然通风是城市绿地实现节能、健康、生态等功能目标的重要形式。城市绿地的绿化型式对于环境的自然通风效果有着重要影响。例如在我们以往的研究中发现，当前道路绿化方面，由于种植密度过大，物种之间竞争激烈，植株普遍生长不良，、干旱甚至枯死现象比较普遍，不仅浪费了大量的投资和养护成本， 而且也不利于发挥绿地的生态功能，尤其是阻碍了道路的自然通风[11]。然而长期以来对于不同绿化型式在影响自然通风的场效应方面，仍然缺乏有效可靠的定量预测分析方法。在本研究中，利用CFD仿真软件模拟出的分析图形直接显示出不同绿化型式对道路自然通风效果确实存在不同效果。乔、灌木绿化型式下的自然风速明显低于单纯乔木绿化型式，验证证明了灌木层的存在直接导致了道路空气流通速度明显下降。试验结果显示，如果从道路绿化的空气扩散、通风散热的生态功能来说，单纯乔木层的道路绿化结构效果反而更佳；然而，考虑到绿地的滞尘吸污、固碳释氧以及增加空气湿度等方面的整体生态功能，则更应推荐乔灌草的群落式绿化结构。综合考虑，道路绿化型式的最优方案应为既具备立体结构、同时又留有足够扩散空间的的疏落式乔灌草立体绿化结构。

试验结果表明，计算机模拟与实际观测的风速衰减率数值存在良好的拟合度，证明CFD仿真分析能较好地预测道路绿化实际自然通风状况。在本项研究中，通过测定冠层空隙度来设定植物冠层多孔介质模型参数以及完成冠层三维结构建模的计算模式，在今后推广CFD分析绿地自然通风方面有一定的参考价值。 当前我国在建设低碳可持续社会中大力提倡绿色建筑标准，逐步实行了绿色建筑评价标识制度，对于评价为星级的绿色建筑乃至绿色低碳园区、居住小区予以高额的资金补贴。当前使用的《绿色建筑评价标准》中要求热岛强度不高于1.5℃[7]。城市绿地在改善热环境、降低热岛效应方面有着得天独厚的优势。以往在绿化领域欠缺良好可靠的计算机模拟分析技术，而CFD仿真分析能够建立通用辐射计算体系，结合植物与环境的热质传递模型及地表、植被、水体、建筑等表面导热的有限差分计算方法，对有绿化情况下的城市热环境进行详细可靠的预测分析。因此，今后在城市绿化建设中，应大力推广CFD仿真技术在预测绿化方案在自然通风及热环境方面的实施效果应用，帮助定量化优化绿化设计方案，从而在真正意义上实现使城市绿化在真正意义上走上生态可持续设计的道路。

参考文献：

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[11]聂磊，代色平，陆璃. 广州城市绿地植物群落生态效应分析[J]. 2008，35（4）：29～-33.

作者简介：

聂磊（ 1973- ） ， 男， 吉林长春人， 博士， 教授， 研究方向为园林生态、绿地植物

E-mail：215787845@qq.com

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