基于规划要素的高层住宅小区风环境多目标优化研究

论文摘要

随着我国城市化进展的不断加快,各类城市用地日益紧张,高层住宅小区作为一种有效的解决方案得到很大的推广。但是越来越多高层住宅小区的出现带来了许多风环境问题,其中行人风环境和自然通风问题与日常生活联系最为紧密。因此研究各种因素对风环境的作用机理和影响规律,为小区规划设计提供依据和建议意义重大。本文通过数值模拟研究小区的规划要素对风环境的影响规律以及风环境多目标优化问题。本文主要工作如下:通过对比数值模拟与风洞试验结果,验证SST k-ω和RNG k-ε湍流模型在行人风环境和自然通风领域应用的可靠性。经对比发现:对于行人风环境模拟,这两种湍流模型在高风速区的结果与试验十分接近,而在低风速区则要低于试验风速;对于自然通风模拟,SST k-ω和RNG k-ε均能较好预测风压系数。最后,通过FAC2、MNMB、FGE和R四个评价指标对比分析这两种湍流模型后发现:除了在行人风环境模拟中,两者的FAC2是相同外,SST k-ω对应的其他指标均要好于RNG k-ε,即SST k-ω综合表现要优于RNG k-ε。在验证水平均匀性和网格无关性之后,研究了建筑密度、建筑高厚比、建筑宽厚比和风向角对行人风环境和自然通风的作用机理和影响规律。研究结果表明:通常情况下,小区的建筑密度、建筑高厚比及风向角都会对小区行人风环境和自然通风产生显著影响,其中风向角的影响尤其明显。合适的风向角不仅能有效增加风舒适区的面积,还能极大地改善下游建筑的自然通风潜能。与之相反的是,建筑宽厚比对于行人风环境影响较小,对自然通风几乎不产生影响。本文还提出了规划要素对行人风环境影响程度排序:风向角>建筑密度>建筑高厚比>建筑宽厚比。相应地,规划要素对自然通风影响程度排序:风向角>建筑密度>建筑高厚比。基于前面数值模拟结果,分析了选入方式、自变量形式和回归次数对于回归模型的影响,在此基础上,建立了小区平均风速比MVR和平均风压差系数ΔCp的回归模型。对建立的回归模型进行拟合优度检验和显著性检验,并将回归模型预测结果与CFD结果进行对比发现,两者之间的相对误差在10%以内,满足工程应用精度要求。然后运用NSGA-Ⅱ算法求得MVR和ΔCp两个目标的帕累托前沿。最后,采用三种决策方法对小区风环境优化方案进行选择,最终优化方案相应的MVR和ΔCp值为0.6 8和0.39,对应的规划参数为ρ=20%,αH=4.5,αB=1,θ=10°。优化方案下,小区的行人风环境良好,风舒适区的面积率达到80%以上,且小区的平均自然通风水平达到相同单个建筑0°风向角下自然通风水平的71%。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 第1章 绪论
•   1.1 课题背景及研究的目的和意义
•   1.2 国内外研究现状和发展趋势
•     1.2.1 行人风环境研究现状
•     1.2.2 自然通风研究现状
•     1.2.3 风环境优化研究现状
•     1.2.4 国内外文献简析
•   1.3 本文的主要研究内容
• 第2章 数值模拟验证与湍流模型选取
•   2.1 引言
•   2.2 风环境评价指标
•     2.2.1 行人风环境评价
•     2.2.2 自然通风评价
•   2.3 室外行人风环境数值模拟验证
•     2.3.1 计算区域与网格划分
•     2.3.2 边界条件和计算参数的设置
•     2.3.3 水平均匀性验证
•     2.3.4 数值模拟与风洞试验对比分析
•   2.4 建筑自然通风数值模拟验证
•     2.4.1 计算区域与网格划分
•     2.4.2 边界条件和计算参数的设置
•     2.4.3 水平均匀性验证
•     2.4.4 数值模拟与风洞试验对比分析
•   2.5 湍流模型的选取
•   2.6 本章小结
• 第3章 建筑群风环境模拟研究
•   3.1 引言
•   3.2 建筑群模拟工况设计
•   3.3 风环境综合评价指标与优化目标
•   3.4 建筑群风环境数值模拟前处理
•     3.4.1 计算区域与网格划分
•     3.4.2 边界条件和计算参数的设置
•     3.4.3 水平均匀性验证
•     3.4.4 网格独立性验证
•   3.5 行人风环境模拟结果分析
•     3.5.1 建筑群密度对行人风环境的影响
•     3.5.2 建筑高厚比对行人风环境的影响
•     3.5.3 建筑宽厚比对行人风环境的影响
•     3.5.4 风向角对行人风环境的影响
•   3.6 自然通风模拟结果分析
•     3.6.1 建筑群密度对自然通风的影响
•     3.6.2 建筑高厚比对自然通风的影响
•     3.6.3 建筑宽厚比对自然通风的影响
•     3.6.4 风向角对自然通风的影响
•   3.7 本章小结
• 第4章 风环境优化与决策方法
•   4.1 引言
•   4.2 多元回归模型的建立
•     4.2.1 选入方式对多元回归模型的影响分析
•     4.2.2 自变量形式对多元回归模型的影响分析
•     4.2.3 回归次数对多元回归模型的影响分析
•   4.3 多元回归模型的检验与可靠性验证
•     4.3.1 多元回归模型的拟合优度检验
•     4.3.2 多元回归模型的显著性检验
•     4.3.3 多元回归模型的可靠性验证
•   4.4 基于遗传算法的风环境优化
•     4.4.1 帕累托前沿
•     4.4.2 多目标优化遗传算法的可靠性验证
•     4.4.3 风环境的多目标优化
•   4.5 风环境优化的决策方法
•     4.5.1 目标参数的前处理
•     4.5.2 决策方法简介
•     4.5.3 决策结果的对比分析与评价
•   4.6 本章小结
• 结论
• 参考文献
• 攻读硕士学位期间发表的论文及其它成果
• 致谢

文章来源

类型: 硕士论文

作者: 胡典

导师: 刘红军

关键词: 高层住宅,行人风环境,自然通风,计算流体力学,多目标优化,决策方法

来源: 哈尔滨工业大学

年度: 2019

分类: 基础科学,工程科技Ⅱ辑

专业: 气象学,建筑科学与工程,建筑科学与工程

单位: 哈尔滨工业大学

基金: 深圳市科技计划项目的资助(批准号JCYJ20170413105418298,JCYJ20170811153857358,JCYJ20180306171737796)

分类号: TU119;TU984.12

DOI: 10.27061/d.cnki.ghgdu.2019.006523

总页数: 100

文件大小: 6072k