钟佳定 刘建麟
东华大学环境科学与工程学院，东华大学暖通空调研究所
【摘 要】口袋公园在疫情期间就近提供了室外游憩空间以保障市民的身心健康，但其对周围风环境的影响值得深入探究。本文用RNG k-ε模型模拟了城市街区中口袋公园周围的行人风环境，并进一步分析了其中有无植被的影响。结果表明模拟与风洞实验的结果比对误差较小，既有的口袋公园设计能够放大行人局地风速比可达60%，但公园内有无植被对风速比的影响较弱。
【关键词】行人风环境；街区；CFD模拟；口袋公园
【资助项目】国家自然科学基金项目（No.52008079）
1 引言
与新建成的城区相比，城市的中心区域常常显得过度拥挤。近年来，城市居民对更好的生活品质的追求成为了城市更新的动力来源。以香港为例，政府就将老旧的房屋改造为邻里间的口袋公园[1]，东京、上海的市区也存在这类区域。按照有无植被可大体将口袋公园分为两类。无植被公园可为居民提供举办活动或休闲娱乐的场所，而有植被公园在这些基础功能之外还能够起到调节城市微气候，帮助城市降温，以及缓解城市居民精神压力的作用。在新冠疫情期间，这些口袋公园为无法远行的市民提供了户外活动及接触自然的场所，起到了维持健康城市生活的重要作用。除了以上功能，类似建筑架空设计[2]，口袋公园还能影响周围的风环境，进而影响建筑散热，空气污染物及传染病菌等的风载扩散。已有实测研究证实了口袋公园周围可能存在较高的风速[3]，然而是否是口袋公园本身造成了局部高风速尚不完全明确，同时也暂无植物对口袋公园内空气流动影响的定量报道。本研究旨在通过基于CFD技术的对照研究模拟分析口袋公园对街区局部行人风环境的改善作用以及植物对该作用的影响，为后疫情时代健康城市的建设提供科学依据。
2 模型与数值方法
本研究采用稳态雷诺时均（SRANS）方程式作为模拟的控制方程，选择以RNG k-ε湍流模型对方程进行闭合，并在控制方程中添加了相应源项，以模拟植物对空气流动的作用。在入口边界处参照文献[4]以指数律公式设置了入口风廓线，顶部及两侧边界设为对称边界，出口边界设为压力出口，底部边界设为无滑移边界。相关有效性验证结果见本文3.1.小节。
研究设置了无公园，公园无植被，及公园有植被（见图1）三种局部街区算例。单栋建筑物的尺寸为1H(x)×5H(y)×1H(z)，其中H为建筑物高度设为0.2m，且建筑物间距为1H。口袋公园的尺寸为1H(x)×1H(y)×1H(z)。在有植被的公园中高度0.5H以下的空间由景观植被占据。为方便对比分析，对街道中的风环境进行采样，采样点均匀分布在街道中（见图2）。
模拟计算域的尺寸为25H(x)×15H(y)×6H(z)，域边界与局部模型的距离满足室外风工程模拟导则COST Action 732[5]的推荐值，通过网格独立性比较，并考虑计算速度与经济性，确定网格数均为160万。模拟中采用SIMPLEST算法，并以二阶迎风格式及中心差分格式求解对流项和扩散项。模拟收敛标准均为各项残差值降到10-5以下。
图1 三种局部街区算例
图2 采样点的排布及街道的命名
3 结果讨论
3.1. 模型与方法的验证
本研究根据日本建筑学会（AIJ）公布的实验数据[6]验证了模型与方法的有效性。其中与九栋建筑群风洞实验数据的线性相关系数（R）达0.83，与日本建筑学会公布的基准处在同一水平。与日本出云地区树木防风效果测量数据的相关系数FAC2与q分别为1.0及0.8，优于文献中的模拟结果[7]。
图3 基于风速比例的验证结果
3.2 口袋公园对行人风环境的影响
模拟结果指出，无公园算例中，由平均风速比例（SVR，平均风速/参考风速）表示的行人风环境仅为0.21，表明此处的行人风环境极大地受到周围建筑物的影响。在街区中设置了公园后，SVR提升最高可达60% ，最高增加到了0.336。
无公园算例中较低的SVR是因为迎风侧的建筑物阻挡了来流风并形成了尾流区域。街道S1就处于该建筑尾流区域内，如图4-a) 所示，街道S1所处的区域呈蓝色，表明此处空气流动较为缓慢（街道内SVR为0.155）。根据图中流线可以看出，街道S1内主要的空气流动方向垂直于街道朝向。考虑到街道的宽高比为1.0，判断街道内的横向气流是街谷涡旋的一部分。这样由街谷涡旋主导的气流能够加快空气污染物的清除，但同时也导致污染物在建筑物背风面聚集，危害行人身体健康。在图4-a)中，S1内建筑物背风面的区域呈现出深蓝色，证实空气确实滞留在此处。此外，在S1街道的两端，由于街道内的横向气流与街口处的涡流相互叠加，形成了螺旋状的气流。这样的气流能够混合来流风与街道内空气，从而稀释街道内空气污染物的浓度。
图4 街区内行人高度的风速比例云图
街道S2处在建筑尾流的边缘区域，此处回流气流将来流风导入到街道内。街道内部的空气流动方向与街道朝向平行，但有两股气流相向流动。两股气流在街道的中段汇集，并形成了凝滞的气团（见图4-a)）。在气团对行人风环境的负面影响下，S2的SVR还是明显高于S1的SVR（分别为0.266与0.155），但明显低于公园算例中S2的SVR（无植被算例中为0.438，有植被算例中为0.434）。口袋公园将S2中滞留的空气导入街道S1，缩小了S2中凝滞气团的体积，提升了S2的SVR（在图4-b)中可以观察到深蓝色区域缩小了）。在新导入的气流的影响下，原本街道S1中存在的空气滞留区域消失了，证明在口袋公园的作用下街道S1内的空气污染物能够被更加有效地清除。
综上所述，可以从两个方面来总结口袋公园对街区行人风环境的改善作用：1）在街道S2内，由于凝滞气团的收缩，空气流动受到更少阻力；2）口袋公园将气流从S2导入到了S1内，提升了S1的平均风速（SVR由0.155提升至0.234或0.215），并且避免了空气污染物在建筑背风面积累。
3.3. 有无植被对公园改善风环境作用的影响
公园有植被算例中测得的SVR 为0.324，以3.6%的差距稍稍弱于公园无植被算例（SVR=0.336）。虽然两个算例中的行人风环境在风速上稍有不同，但空气流动基本上呈现相同的特征。图5-c)标记出了两个算例中风环境之间风速比差别。可以观察到在公园的下风向形成了一块风阴影区。在风阴影区中，最大风速比差（ΔVR）为-0.4，表明风在穿过公园内的植物后最高将失去近一半的速度，但仍没有观察到在空气流动特征上有明显的变化。该结果与前人研究结果一致[8]，既植物主要影响风速的强弱，但不明显改变空气流动的特征。
图5 街区内行人高度的风速比例云图
4 结论
本文通过数值模拟探究了口袋公园对街区局部行人风环境的影响以及公园中有无植被的作用。主要结论包括：
（1）稳态模拟下，RNG k-ε模型能给出与风洞实验吻合度较高的结果。同时，传统无公园街区的行人区风速比为0.21，改建为口袋公园后最高能使行人区风速比得到60%的提升。
（2）公园有植被的行人区风速比为0.324，相较于公园无植被算例下降了3.6%，表明既有口袋公园设计内有无植被对局部行人风环境的影响不明显。可以认为，在主导风向垂直于街道朝向的街区时，可以忽略公园中植被对周围行人风环境的影响。
以上研究结论是基于理想街区和有限植被率设计下的稳态模拟结果，更多特殊工况有待深入分析，但文中对口袋公园影响周围风环境的结果为后疫情时代健康城市的规划设计提供了参考依据。
参考文献
[1] C.Y. Jim, M.W.H. Chan, Urban greenspace delivery in Hong Kong: Spatial-institutional limitations and solutions, Urban For. Urban Green. 18 (2016) 65-85.
[2] 刘建麟，牛建磊，张宇峰. 建筑架空高度及风向对行人区微气候的影响评估[J]. 建筑科学, 2017, 33(12): 117-124.
[3] S.S. Lau, P.Y. Lin, H. Qin, A preliminary study on environmental performances of pocket parks in high-rise and high-density urban context in Hong Kong, International Journal of Low-Carbon Technologies 7(3) (2012) 215-225.
[4] J.L. Liu, X.L. Zhang, J.L. Niu, K.T. Tse, Pedestrian-level wind and gust around buildings with a 'lift-up' design: Assessment of influence from surrounding buildings by adopting LES, Build. Simul. 12(6) (2019) 1107-1118.
[5] J. Franke, A. Hellsten, H. Schlünzen, B. Carissimo, Best Practice Guideline for the CFD Simulation of Flows in the Urban Environment 732, University of Hamburg, Hamburg, Germany, 2007.
[6] Architectural Institute of Japan, AIJ benchmarks for validation of CFD simulations applied to pedestrian wind environment around buildings, Architectural Institute of Japan, Tokyo, Japan, 2016.
[7] Y. Qi, T. Ishihara, Numerical study of turbulent flow fields around of a row of trees and an isolated building by using modified k-ε model and LES model, Journal of Wind Engineering and Industrial Aerodynamics 177 (2018) 293–305.
[8] R. Buccolieri, A.P.R. Jeanjean, E. Gatto, R.J. Leigh, The impact of trees on street ventilation, NOx and PM2.5 concentrations across heights in Marylebone Rd street canyon, central London, Sust. Cities Soc. 41 (2018) 227-241.
备注：本文收录于《建筑环境与能源》2021年4月刊 总第42期（第二十届全国暖通空调模拟学术年会论文集）。版权归论文作者所有，任何形式转载请联系作者。
