CN116882034B - 基于三维模拟的城市立体绿化分布方法 - Google Patents
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Abstract
本发明提供一种基于三维模拟的城市立体绿化分布方法，涉及三维模拟领域，具体包括：S1 设置热工况；S2 在三维软件中建立数值模型；S3 设计两种模拟方式进行模拟；S4 设计未布置绿化分布方案的对比模拟实验，结合对比模拟实验的结果对模拟结果进行分析，引入街谷换气率和污染物滞留时间作为评价指标，分析结果；S5 根据分析结果得到最优的绿化分布方案。本发明提供的方法能够对城市绿化分布提供有效的建议。
Description
技术领域
本发明涉及三维模拟技术领域，尤其涉及一种基于三维模拟的城市立体绿化分布方法。
背景技术
城市化进程的快速推进在助力社会发展的同时也带来了诸多环境问题，近年来，随着城市不断建设发展，城市街区环境的优化面临复杂工业化以及人口大量聚集等问题的挑战，越多越多的生产场所出现在城市周围，突发性的污染物泄露或长期的气体污染威胁着居民身体健康，尤其对于如氯气、挥发性有机物等重密度气态污染物，其在迁移输运过程中不仅受街区通风风压驱动流、热压驱动浮升流等作用，还受其本身与空气之间的密度差质浮升流作用(双扩散)，易在重力的作用下沉积至街区底部并聚集，因此防治重密度气态污染物在街区中的迁移扩散具有一定意义。与此同时，城市生态发展为街区通风性能带来更多不确定性，街区绿化对污染物在人居环境中的聚集和疏解起到正向还是负向的作用，并会产生多大影响尚不明确。
有限的城市空间限制城市内部大面积绿地的铺设，因此兼顾空间集约利用和环保生态需求的绿色屋面系统应运而生并得到越来越广泛的应用。中国申请号为202010119121.3的发明专利公开了一种基于CFD环境数值模拟的立面垂直绿化排布方法及系统，其是通过获取目标建筑在不同的垂直绿化布局下周边行人层的热舒适度指标；根据得到的热舒适度指标，选取目标建筑上最优垂直绿化布局。该专利是以行人的生理等效温度差来选择垂直绿化布局，并未考虑其它指标和绿化方案。
发明内容
有鉴于此，本发明提出了一种基于三维模拟的城市立体绿化分布方法，通过两种模拟方式对不同的绿化分布方案进行模拟，分析绿化分布对街区通风和污染物扩展的影响，根据街谷换气率和污染物滞留时间来定量评估绿化分布方案的优化效果，以选择最优的绿化分布方案，能够对城市的绿化分布提出有效的建议。
本发明的技术方案是这样实现的：本发明提供了一种基于三维模拟的城市立体绿化分布方法，包括：
S1 获取目标城市的观测实验结果，根据观测实验结果设置热工况；
S2 在三维软件中建立数值模型，采用结构化网格对数值模型进行划分，并设定计算域；
S3 设计两种模拟方式，第一种模拟方式针对所有的街谷类型设置N种第一绿化分布方案，在热工况下进行模拟；第二种模拟方式按照街谷类型设置M种第二绿化分布方案，在热工况下进行模拟；
S4 设计未布置绿化分布方案的对比模拟实验，结合对比模拟实验的结果对N种第一绿化分布方案和M种第二绿化分布方案在热工况下的模拟结果进行分析，引入街谷换气率和污染物滞留时间作为评价指标，得到第一种模拟方式的分析结果和第二种模拟方式的分析结果；
S5 根据第一种模拟方式的评价结果和第二种模拟方式的评价结果得到最优的绿化分布方案。
在以上技术方案的基础上，优选的，所述方法还包括：
对数值模型进行模拟时，采用RNGk-ε双方程配合增强壁面函数对数值模型进行计算，并使用Coupled算法解耦，对流项采用误差较小的二阶迎风格式离散，压力项用中心差分格式离散，将三对角矩阵算法与逐次超松弛迭代相结合，通过逐行程序求解离散化方程，当每项的残差小于时，视为计算收敛。
在以上技术方案的基础上，优选的，增强壁面函数为：
式中y +为无量纲距离；u +为无量纲速度；T +为无量纲温度；为壁面切应力，单位为N/m；T w 为壁面温度，单位为开尔文K；q w 为热流密度，单位为W/m 2；k为湍流动能；y为与壁面的距离，单位为m；ρ为流体密度；u是流体速度；C u 是无量纲常数；v为切应力速度；T是初始温度；C p 是无量纲温度系数。
在以上技术方案的基础上，优选的，步骤S2中，建立数值模型时，目标城市的建筑高度变化采用建筑高度标准差σ H 来进行量化表征：
式中H为建筑群的平均高度，h i 为第i个建筑的高度，n为建筑的数量。
在以上技术方案的基础上，优选的，步骤S2中，计算域的设定过程为：
设定计算域入口边界条件为与温度无关的对数风廓线，入流边界的对数风廓线速度U(z)、湍流动能k(z)和湍流耗散率ε(z)的表达式如下：
式中，为大气边界层摩擦速度；z 0为空气动力学粗糙长度；κ为冯卡曼常数；C μ 为经验常数；z为模拟高度；
设定计算域顶部为对称边界，出口边界设定为自由出流边界建筑物壁面与地面为无滑移的刚性壁面，街谷底部污染物以Q emit =1mg/s的恒定速率输入。
在以上技术方案的基础上，优选的，N取值为3，步骤S3中，N种第一绿化分布方案为：
所有建筑屋顶布置绿化屋面；
所有建筑背风面布置绿化屋面；
所有建筑迎风面布置绿化屋面。
在以上技术方案的基础上，优选的，M取值为14，步骤S3中，M种第二绿化分布方案的设置过程为：
将街谷类型分为上阶梯型街谷h 1和下阶梯型街谷h 2，设置六个参数，分别为：A，h 1型建筑的屋顶；B，h 2型建筑的屋顶；C，h 1型建筑的迎风面；D，h 2型建筑的迎风面；E，h 1型建筑的背风面；F，h 2型建筑的背风面；
根据六个参数及其组合，在对应的位置进行绿化屋面的布置，得到14种第二绿化分布方案，分别为：AB、CD、EF、E、F、AE、BE、AF、BF、AEF、BEF、ABEF、BDEF、ABDEF。
在以上技术方案的基础上，优选的， 步骤S4中，对比模拟实验的结果包括不同热工况下的污染物浓度云图，对该污染物浓度云图进行污染物滞留时间的量化分析，得到对比模拟实验的污染物函数关系式：
式中，为污染物滞留时间，Rb为理查森数，a、b、c为拟合系数。
在以上技术方案的基础上，优选的，所述第一种模拟方式的分析结果包括：
第一绿化分布方案的街谷冠层高度处垂直速度变化图和第一绿化分布方案的街谷换气率和污染物滞留时间关系图；
所述第二种模拟方式的分析结果包括：
第二绿化分布方案的污染物滞留时间对比和第二绿化分布方案的优化效果对比。
在以上技术方案的基础上，优选的， 步骤S2还包括：
获取参考实验及其参考结果，对数值模型进行参考实验的模拟，将模拟结果与参考结果进行对比，对数值模型进行准确性评估。
本发明的方法相对于现有技术具有以下有益效果：
（1）结合实测结果，建立数值模型对不同热工况下、不同绿化分布下的街区通风效果进行分析，充分考虑了非均匀建筑群的建筑差异，并引入污染物滞留时间作为表征街区稀释近场污染物能力的量化指标，对各个绿化分布方案进行分析，对城市绿化分布具有现实意义；
（2）通过设计不同的绿化分布方案，探寻如何利用绿化屋面的表面降温作用产生合理的气流组织实现街谷换气率的效益最大化，得到城市通风能力最优的绿化方案。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1为本发明实施例的方法流程图；
图2为本发明实施例的模型验证结果图；
图3为本发明实施例的对比模拟实验的污染物滞留时间随理查森数变化示意图；
图4为本发明第一实施例的街谷冠层高度处垂直速度变化图；
图5为本发明第一实施例的街谷换气率与污染物滞留时间对比图；
图6为本发明第二实施例的街谷内污染物滞留时间对比图；
图7为本发明第二实施例的优化效果比较图。
具体实施方式
下面将结合本发明实施方式，对本发明实施方式中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施方式仅仅是本发明一部分实施方式，而不是全部的实施方式。基于本发明中的实施方式，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施方式，都属于本发明保护的范围。
如图1所示，本发明提供一种基于三维模拟的城市立体绿化分布方法，包括：
S1 获取目标城市的观测实验结果，根据观测实验结果设置热工况；
S2 在三维软件中建立数值模型，采用结构化网格对数值模型进行划分，并设定计算域；
S3 设计两种模拟方式，第一种模拟方式针对所有的街谷类型设置N种第一绿化分布方案，在热工况下进行模拟；第二种模拟方式按照街谷类型设置M种第二绿化分布方案，在热工况下进行模拟；
S4 设计未布置绿化分布方案的对比模拟实验，结合对比模拟实验的结果对N种第一绿化分布方案和M种第二绿化分布方案在热工况下的模拟结果进行分析，引入街谷换气率和污染物滞留时间作为评价指标，得到第一种模拟方式的分析结果和第二种模拟方式的分析结果；
S5 根据第一种模拟方式的评价结果和第二种模拟方式的评价结果得到最优的绿化分布方案。
具体地，在本发明一具体实施例中，目标城市定位为武汉市，步骤S1中的观测实验结果的获取过程为：
目标城市定位为武汉市，观测于2022年6月至7月选取武汉夏日晴朗与非晴朗天气的不同时间段进行实测。武汉市地处东经113°41′~115°05′、北纬29°58′~31°22′之间，属亚热带季风性气候，空气湿度较高，日照充足，实测连续进行4天取数据平均值。本次实测对绿化屋面表面温度的测试采用定点观测的方式，测试时间为9：00~21：00，测试的数据包括绿化屋面表面温度和裸露砖石结构墙体表面温度及测点附近的水泥和沥青下垫面。实验设备选用FLIR A655sc热成像仪，镜头FOL-25mm，红外图像分辨率为650×480。观测实验结果统计见下表1：
表1：不同建筑表面温度测量数据统计
观测实验结果显示，在50m距离以内尺度的街区绿化屋面与普通建筑在相同时间段、相同日照条件下的表面温差最高可达30℃以上，温差因建筑材料不同而有所差距。根据观测实验结果确定本实施例的热工况设置：在建筑表面温差范围0~30℃内选取8个典型温差，整体理查森数Rb从-9.80到0，涵盖了热中性条件、风压主导和热压主导三种气象条件，来流空气温度取典型气温300K，具体热工况情况请参阅下表2。
表2：热工况设置
具体地，本发明一具体实施例中，步骤S2包括：
本实施例选取形貌呈现高-低-高-低规律的交错型建筑群进行分析，其建筑高度变化用建筑高度标准差σ H 来进行量化表征：
式中H为建筑群的平均高度，h i 为第i个建筑的高度，n为建筑的数量。本实施例采用标准差σ H =0.3的建筑阵列，高建筑与低建筑的高度比为13:7。取H=W（W为建筑宽度）。
本实施例取街道峡谷的水平剖面，假定街谷在与自然风来流相垂直的方向上（z方向）为无限长，建立数值模型以直观观察街谷流向切面的气流形态，上下阶梯型街谷分别对应建筑形态沿气流流动方向高度递增和递减的街谷，关注单元内包含一个上阶梯型街谷和一个下阶梯型街谷。
本实施例中，计算域设定过程为：
设定计算域入口边界条件为与温度无关的对数风廓线，入流边界的对数风廓线速度U(z)、湍流动能k(z)和湍流耗散率ε(z)的表达式如下：
式中，为大气边界层摩擦速度；z 0为空气动力学粗糙长度；κ为冯卡曼常数；C μ 为经验常数；z为模拟高度；
设定计算域顶部为对称边界，出口边界设定为自由出流边界建筑物壁面与地面为无滑移的刚性壁面，街谷底部污染物以Q emit =1mg/s的恒定速率输入。
对于不可压缩的流体，其密度为温度的函数，本实施例的模拟中考虑壁面受到太阳光辐射后的温升，壁面附近的空气密度会因此改变，此处对动量控制方程中浮力项的流体密度ρ采用Boussinesq假设处理，其余项中的流体密度均保持ρ 0。由于温升引起的空气密度变化率表示为：
式中：ρ 0、T 0分别为初始密度和初始温度；β为热膨胀系数。
在模拟中，采用RNG k-ε双方程配合增强壁面函数对模型进行计算，并使用Coupled算法解耦，对流项采用误差较小的二阶迎风格式离散，压力项用中心差分格式离散。将三对角矩阵算法与逐次超松弛迭代相结合，通过逐行程序求解离散化方程。当每项的残差小于时，认为计算收敛。
RNG k-ε双方程的湍流动能k方程和湍流动能耗散率ε方程如下所示：
式中：为等效粘性系数，/>；/>；/>；；/>；/>；/>；；
；/>；/>。
增强壁面函数为：
式中y +为无量纲距离；u +为无量纲速度；T +为无量纲温度；为壁面切应力，单位为N/m；T w 为壁面温度，单位为开尔文K；q w 为热流密度，单位为W/m 2；k为湍流动能；y为与壁面的距离，单位为m；ρ为流体密度；u是流体速度；C u 是无量纲常数；v为切应力速度；T是初始温度；C p 是无量纲温度系数。
具体地，本实施例采用结构化网格对数值模型进行划分。对于不可压缩的流体，其密度为温度的函数，当太阳光辐射对建筑物壁面进行加热后，其壁面附近空气的密度会因温度的升高而发生改变，从而引起向上的空气运动。
本实施例的模拟涉及街区热效应，需要对流体流动的动量守恒方程中浮力项的密度采用Boussinesq假设处理。计算需要配合增强壁面函数进行，因此近壁面处网格需要更为精密，第一层网格高度需要保证y +<1。本实施例分别使用了三种不同精度的网格：粗糙网格（129894）、基础网格（253644）和精细网格（884874）进行计算验证，其相关参数如表3所示。
表3：网格独立性验证参数
在相同计算资源下应用三种网格对同一工况进行计算，使用基础网格进行计算得到的结果，其精度与精细网格差别不大，进一步增加网格的数量不会引起结果的明显变化，计算结果具有网格无关性，因此在本实施例后续的计算中采用基础网格以兼顾计算精度与计算成本。
具体地，在本发明一实施例中，步骤S2还包括：
获取参考实验及其参考结果，对数值模型进行参考实验的模拟，将模拟结果与参考结果进行对比，对数值模型进行准确性评估。
为了评估数值模型计算结果的准确性，本文与日本国立环境研究所进行的风洞试验结果相对比来进行本模型的可行性验证，该风洞试验记录了代表建筑群的方块阵列在风场和热场共同作用下不同位置的气体速度和温度，符合本文计算工况。风洞的测试区域长宽高分别为24m、3m、2m，建筑街区由若干100×100×50mm尺寸的立方体表示，在每个街谷底部进行均匀加热以制造热效应，风洞采用多普勒风速仪和冷丝测量了中部街谷的垂直速度和温度分布。数值模拟中街道峡谷的几何尺寸，入口处风速U 0，剪切层温度T a 和建筑表面温度T f 均与风洞试验保持一致。这里的模型验证选取了风洞试验中Rb=-0.21组的数据，处于相同位置的无量纲速度与无量纲温度分布的模拟结果和试验结果的对比如图2所示，并将所得模拟结果与《Wind tunnel experiments on how thermal stratification affectsflow in and above urban street canyons》（图2中的实验值）、《Impact of buildingconfiguration on air quality in street canyon》（图2中的对比值1 ）、《Numericalinvestigation of pollutant transport characteristics inside deep urban streetcanyons》（图2中的对比值2）、《Fluid mechanical dispersion of airborne pollutantsinside urban street canyons subjecting to multi-component ventilation andunstable thermal stratifications》（图2中的对比值3 ）等文章中的参考结果相比较，由图2可知，模拟结果与参考结果基本吻合，说明数值模型可以用于风压和热压混合作用下的流场预测。
具体地，本发明首先模拟未布置任何绿化方案的情况，对该对比实验进行分析。
本实施例利用Rb值进行模拟分析，Rb指的是理查森数，当Rb=0时，即热中性条件下，建筑表面温度与周围空气温度持平，气体流动受纯风压驱动。城市冠层气流掠过街道峡谷直接流向下游，冠层气流、街谷内涡流和建筑顶部涡流呈现独立态势，来流风无法起到净化街谷内部空气的作用，不利于污染物的排除。当Rb值进一步减小，街谷内的湍流强度逐渐增加，其外层流线最终向上打开，街谷内的热浮升力突破了来流风的“顶盖”作用，形成了街谷与剪切层的气流交换通道，街谷的通风能力得到加强，街谷底部污染物浓度逐渐降低。随着理查森数的减小，建筑表面和周围空气的温差从0开始逐渐加大，在热浮升力的作用下，建筑群污染物的聚集现象得到缓解，街谷底部污染物浓度和污染物滞留时间都有所减少。
通过对关注单位内污染物滞留时间的量化分析，可以直观看出裸露建筑壁面下街谷换气能力随着热不稳定性的变化。如图3所示，污染物滞留时间随热不稳定性的增强呈现持续降低趋势。对污染物在关注单元内的滞留时间进行线性回归分析，得到对比模拟实验的污染物函数关系式：
式中，为污染物滞留时间，Rb为理查森数，a、b、c为拟合系数。
上式中拟合系数及可决系数R 2如下表4所示，可决系数R 2大于0.95，说明污染物滞留时间与热不稳定性之间呈相关性，可以用上式预测。
表4：街谷关注单元污染物滞留时间与理查森数之间的拟合系数和可决系数R 2
具体地，本发明通过两种模拟方式形成两个实施例进行模拟。
实施例一
本实施例中的N取值3，N种第一绿化分布方案为：
所有建筑屋顶布置绿化屋面；
所有建筑背风面布置绿化屋面；
所有建筑迎风面布置绿化屋面。
本实施例中，将3种第一绿化分布方案和未布置绿化分布的对照组进行比较，为进一步细化的分区绿化方案指明方向。
本实施例对高温条件下城市热稳定性最差时(Rb=-9.80）的模拟结果进行分析，对比分析的组别包括：未布置绿化屋面、屋顶布置绿化屋面、迎风面布置绿化屋面以及背风面布置绿化屋面的四种方案。
与未布置绿化屋面的对照组相比，在屋顶布置绿化屋面不能有效改变街道峡谷内的气流结构，同时街谷底部的污染物聚集现象进一步加剧，剪切层相同高度处的污染物浓度明显高于对照组同等高度的污染物浓度，这是因为屋顶温度的降低削弱了街区峡谷整体的热浮升力，限制了污染物向剪切层的扩散，因此在屋顶布置绿化屋面不利于交错型城市建筑群的气流净化。当在建筑迎风面布置绿化屋面时，由于削弱了该处的热压，原先上阶梯街谷迎风面角落的逆时针涡旋消失，沿顺时针方向流动的内部涡流扩大到了整个街谷，使来流风难以进入上阶梯街谷，阻碍街谷内外换气的同时，导致街谷底部污染物积聚在背风面角，因此该方案也不适合用于优化交错型建筑群的通风性能。
相比于对照组，在建筑背风面布置绿化屋面可以明显优化街区峡谷的气流结构，改善污染物在街谷底部的聚集现象。该方案下，关注单元内两个街谷的气流结构都得到了优化：下阶梯街谷背风面因热浮升力产生的顺时针涡流消失，有助于来流风贯入街谷，对污染物的排除起到积极作用；在上阶梯街谷中，绿化屋面的温降作用消除了建筑背风面热浮升力与来流风惯性力的对抗作用，使来流风得以沿背风面贴壁流入街谷，又在建筑迎风面的热浮升力和惯性力的协同作用下流出街谷，关注单元内两个街谷底部气流都可以得到净化。街谷内行人呼吸层高度污染物的分布更为显著地体现了上述变化，在建筑背风面布置绿化屋面能够明显改变行人层污染物分布情况，尤其是在上阶梯型街谷中的浓度水平明显下降。
请参阅图4，图4中未布置表示没有任何特别布置，顶部表示在街谷顶部布置绿化屋面，迎风面表示在迎风面布置绿化屋面，背风面表示在背风面布置绿化屋面。图4中可看出，在下阶梯型街谷中，街谷顶部高度水平处的垂直气流速度以街谷中心为分界线（街谷中心的垂直速度最小，且接近为0），靠近街谷背风侧的垂直速度为正，主要形成上升气流，而靠近街谷迎风侧的垂直速度为负，主要形成下沉气流，垂直气流特性符合街谷内的流动特征（街谷顶部气流为顺时针流动），而在背风面布置绿化屋面可以明显改善流态，在迎风面侧形成抬升气流，有助于污染物释出；在上阶梯型街谷中，街谷顶部垂直速度为0的气流平衡区偏向迎风面侧，以上升气流为主导，而在迎风面布置绿化屋面则会明显改变此流态，恶化街区内空气污染。
引入街谷换气率和污染物滞留时间/>进行量化评价，计算结果如图5所示，其中，街谷换气率/>根据街谷总体换气率ACH进行归一化处理后得到，街谷总体换气率ACH计算公式如下：
式中，和/>分别代表由时均流动和湍流脉动引起的换气，下标roof表示街谷顶部，下标side表示街谷侧面。
图5中显示关注单元顶部时均流动引起的换气率强度显著低于由湍流脉动引起的换气率，并且在不同绿化方案下变化并不大，这说明通过改变绿化模式引导街区通风主要是由于改变了垂直湍流强度。然而仅提高垂直湍流强度并不一定缓解街区污染物滞留，在屋顶布置绿化屋面组和迎风面布置绿化屋面组中，垂直湍流均有所提升，污染物在关注单元的滞留时间却增加，结合图4可以看出这两组中街谷顶部依然以下沉气流为主，并未改变街区内气流流态。因此，通过布置绿化屋面系统改善街谷的通风换气能力需要两方面的改变：一是要改变街谷内的气流流态，增加上升气流比重，促进街谷内部与城市冠层的气流交换；二是要增加湍流强度，提升街区换气能力。综上，对于高度交错型建筑来说，在背风面布置绿化屋面可以优化街区气流模式，减少内部涡流，同时减轻背风面热压与重力惯性气流之间的对抗作用，保留迎风面热压与风压的协同作用，增强街谷湍流换气率，从而改善街谷的通风能力。
实施例二
本实施例中的M取值为14，步骤S3中，M种第二绿化分布方案的设置过程为：
将街谷类型分为上阶梯型街谷h 1和下阶梯型街谷h 2，设置六个参数，分别为：A，h 1型建筑的屋顶；B，h 2型建筑的屋顶；C，h 1型建筑的迎风面；D，h 2型建筑的迎风面；E，h 1型建筑的背风面；F，h 2型建筑的背风面；
根据六个参数及其组合，在对应的位置进行绿化屋面的布置，得到14种第二绿化分布方案，分别为：AB、CD、EF、E、F、AE、BE、AF、BF、AEF、BEF、ABEF、BDEF、ABDEF。
其中，h 1=1.3H，h 2=0.7H。
本实施例中，对第二模拟方式的模拟结果进行污染物滞留时间的量化分析，并与未布置绿化分布的对照组进行对比，具体结果见表5。
表5：第二绿化布置方案与对照组的结果
其中，A-h 1高度建筑的屋顶；B-h 2高度建筑的屋顶；C-h 1高度建筑的迎风面；D-h 2高度建筑的迎风面；E-h 1高度建筑的背风面；F-h 2高度建筑的背风面。如AB即在h 1高度建筑的屋顶和h 2高度建筑的屋顶布置绿化屋面；AF即在h 1高度建筑的屋顶和h 2高度建筑的背风面布置绿化屋面。
图6是15种绿化方案下关注单元内污染物滞留时间的对比。从图6上可以看出，与未布置绿化屋面的对照组相比，有五组方案对街谷污染物的排除起到了促进作用，分别是：ABEF、AEF、BEF、EF、AE。对这五组方案进行模拟后可知，污染物在关注单元内的滞留时间和在街谷底部的聚集浓度都逐渐降低。与对照组相比，在所有建筑屋顶和背风面布置绿化屋面的ABEF组，其污染物在关注单元的滞留时间下降了约7％，两个街区峡谷的换气性能都得到了提升。新增建筑屋顶的绿化（即ABEF组）可以进一步改善街区峡谷的气流结构：来流风在进入街谷后可以从更高的高度开始贴壁流动，气流从下阶梯街谷迎风面流出时与剪切层的气体交换通道比EF组位置更高、开口更大，气流经过h 2高度建筑屋顶后受惯性作用继续向上运动至一定高度才向右分离，进入上阶梯街谷后带动h 2高度建筑背风面的涡旋顺时针流动，有助于该处污染物的扩散，随后在高建筑迎风面热浮升力的协同作用下流出街谷；不过EF组的流动更为简单，减少绕流和短路涡旋，也能较好地实现气流交换。
在建筑背风面布置绿化屋面系统基础上额外布置屋顶绿化时会产生顶部短路涡旋，结合绿化屋面作用下街区温度场和速度场的变化，这是由于绿化屋顶的降温作用使屋顶周围空气温度略低于沿着迎风面流向下游的空气，空气密度受温度而变化使屋顶上游的流形产生变化，进而影响下游街谷内流态。对EF和ABEF两种绿化屋面布置方式下温度分布和流场流线做模拟可得，流线起始于入口边界相同位置，两种绿化屋面布置方式下不同的温度分层影响了气流流向：EF组在下阶梯街谷的气流路径窄，街谷中部污染物的排除需要依靠来流风带动产生的逆时针内部涡流，而ABEF组气流路径相对更宽，来流风可以更直接地对街谷进行净化。而EF组和ABEF组的关注单元内的气体流速模拟结果反映出ABEF组的气流在流经街谷时可以保持较高的速度，能够快速将污染物带离街谷，当街谷内部空气温度场整体温度较低时，有利于流场速度维持。
上述结果纵向比较了热的最不稳定情况下各绿化方案下街区通风表现，下面将各方案在变气象条件下的换气能力进行横向对比，比较上述五组优化通风方案在不同热稳定条件下的表现。图7给出了各个绿化方案下关注单元内污染物滞留时间随热稳定性的变化，随着街区热不稳定性的增强，五组绿化方案污染物滞留时间都呈下降趋势，分区绿化方案对街区通风能力的优化程度有限。相比于其他四组，在建筑背风面及建筑顶部布置绿化屋面系统的方案在各个工况下的优化效果基本稳定，是兼顾流场优化的合理性和不同气象条件的适应性的合理化方案，但与仅在建筑背风面布置绿化屋面系统的方案相比收效差别较小，可作为对通风有较高要求的方案。综上，对街区通风起到增益效果的绿化屋面形式主要是垂直壁面绿化，建筑顶部绿化对于增进街区通风和污染物排除效果较小。
基于实施例一和实施例二的结果，在考虑建筑高度不同而进行建筑分区绿化时，在所有建筑屋顶和背风面布置绿化屋面可以最大程度地利用风压与热压的协同作用，对城市降温的同时实现交错型建筑群通风性能的改善，并在多气象条件下保持稳定的优化效果。在实际进行城市绿化分布时，可参考该结果，并结合成本造价、城市气候、流场结构、行人活动区污染物浓度等因素进行绿化分布。
以上所述仅为本发明的较佳实施方式而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
Claims (5)
1.一种基于三维模拟的城市立体绿化分布方法，其特征在于，包括：
S1 获取目标城市的观测实验结果，根据观测实验结果设置热工况；
其中，热工况包括：来流空气温度、建筑表面温度和整体理查森数，涵盖热中性条件、风压主导和热压主导三种气象条件；
S2 在三维软件中建立数值模型，采用结构化网格对数值模型进行划分，并设定计算域；
步骤S2中，计算域的设定过程为：
设定计算域入口边界条件为与温度无关的对数风廓线，入流边界的对数风廓线速度U(z)、湍流动能k(z)和湍流耗散率ε(z)的表达式如下：
；
；
；
式中，为大气边界层摩擦速度；z 0为空气动力学粗糙长度；κ为冯卡曼常数；C μ 为经验常数；z为模拟高度；
设定计算域顶部为对称边界，出口边界设定为自由出流边界建筑物壁面与地面为无滑移的刚性壁面，街谷底部污染物以Q emit =1mg/s的恒定速率输入；
S3 设计两种模拟方式，第一种模拟方式针对所有的街谷类型设置N种第一绿化分布方案，在热工况下进行模拟；第二种模拟方式按照街谷类型设置M种第二绿化分布方案，在热工况下进行模拟；
N取值为3，步骤S3中，N种第一绿化分布方案为：
所有建筑屋顶布置绿化屋面；
所有建筑背风面布置绿化屋面；
所有建筑迎风面布置绿化屋面；
M取值为14，步骤S3中，M种第二绿化分布方案的设置过程为：
将街谷类型分为上阶梯型街谷h 1和下阶梯型街谷h 2，设置六个参数，分别为：A，h 1型建筑的屋顶；B，h 2型建筑的屋顶；C，h 1型建筑的迎风面；D，h 2型建筑的迎风面；E，h 1型建筑的背风面；F，h 2型建筑的背风面；
根据六个参数及其组合，在对应的位置进行绿化屋面的布置，得到14种第二绿化分布方案，分别为：AB、CD、EF、E、F、AE、BE、AF、BF、AEF、BEF、ABEF、BDEF、ABDEF；
S4 设计未布置绿化分布方案的对比模拟实验，结合对比模拟实验的结果对N种第一绿化分布方案和M种第二绿化分布方案在热工况下的模拟结果进行分析，引入街谷换气率和污染物滞留时间作为评价指标，得到第一种模拟方式的分析结果和第二种模拟方式的分析结果；
S5 根据第一种模拟方式的分析结果和第二种模拟方式的分析结果得到最优的绿化分布方案；
所述方法还包括：
对数值模型进行模拟时，采用RNG k-ε双方程配合增强壁面函数对数值模型进行计算，并使用Coupled算法解耦，对流项采用误差较小的二阶迎风格式离散，压力项用中心差分格式离散，将三对角矩阵算法与逐次超松弛迭代相结合，通过逐行程序求解离散化方程，当每项的残差小于时，视为计算收敛；
增强壁面函数为：
；
；
；
式中y +为无量纲距离；u +为无量纲速度；T +为无量纲温度；为壁面切应力，单位为N/m；T w 为壁面温度，单位为开尔文K；q w 为热流密度，单位为W/m 2；k为湍流动能；y为与壁面的距离，单位为m；ρ为流体密度；u是流体速度；C u 是无量纲常数；v为切应力速度；T是初始温度；C p 是无量纲温度系数。
2.如权利要求1所述的方法，其特征在于，步骤S2中，建立数值模型时，目标城市的建筑高度变化采用建筑高度标准差σ H 来进行量化表征：
；
式中H为建筑群的平均高度，h i 为第i个建筑的高度，n为建筑的数量。
3.如权利要求1所述的方法，其特征在于，步骤S4中，对比模拟实验的结果包括不同热工况下的污染物浓度云图，对该污染物浓度云图进行污染物滞留时间的量化分析，得到对比模拟实验的污染物函数关系式：
；
式中，为污染物滞留时间，Rb为理查森数，a、b、c为拟合系数。
4.如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述第一种模拟方式的分析结果包括：
第一绿化分布方案的街谷冠层高度处垂直速度变化图和第一绿化分布方案的街谷换气率和污染物滞留时间关系图；
所述第二种模拟方式的分析结果包括：
第二绿化分布方案的污染物滞留时间对比和第二绿化分布方案的优化效果对比。
5.如权利要求1所述的方法，其特征在于，步骤S2还包括：
获取参考实验及其参考结果，对数值模型进行参考实验的模拟，将模拟结果与参考结果进行对比，对数值模型进行准确性评估。
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