1、室外绿化景观源项化模拟研究及应用室外绿化景观源项化模拟研究及应用用户交流会，背景：当前小区景观设计的问题背景：当前小区景观设计的问题非本地树种绿化稀少，或者布局简单 过密的灌木绿化，通风不良绿化无生态价值随意的水体设计，大部分时间无水；下垫面材料选择不当需求需求急需提供量化评价景观设计的生态效应，对热岛的缓急需提供量化评价景观设计的生态效应，对热岛的缓解作用的有效手段解作用的有效手段建设部标准绿色建筑评价标准、绿色建筑技术建设部标准绿色建筑评价标准、绿色建筑技术评价细则、国家环保总局标准生态住宅（住区）评价细则、国家环保总局标准生态住宅（住区）技术认证标准中均要求：技术认证标准中均要求：评价室
2、外风环境，要求：冬季室外风速不高于，建筑评价室外风环境，要求：冬季室外风速不高于，建筑前后压差不超过；夏季无涡旋死角，建筑前后压差不前后压差不超过；夏季无涡旋死角，建筑前后压差不低于低于室外热岛效应，要求：热岛强度不高于室外热岛效应，要求：热岛强度不高于景观绿化对室外热岛有多重作用，需要量化评价其中：其中：绿化对风环境、热岛影响明显，在模拟评价中不能忽绿化对风环境、热岛影响明显，在模拟评价中不能忽略其作用略其作用水体、湿地的降温作用也需要进行准确描述水体、湿地的降温作用也需要进行准确描述问题的提出：问题的提出：以前的建筑周围风环境模拟中，基本上不考虑植物存以前的建筑周围风环境模拟中，基本上不考
3、虑植物存在的影响。这在植被稀疏、树木较少的情况下是可以在的影响。这在植被稀疏、树木较少的情况下是可以的，否则不能忽略。的，否则不能忽略。能不能直接拿城市气候学里的模型来用？能不能直接拿城市气候学里的模型来用？三维植物冠层流动模拟三维植物冠层流动模拟方法：在流动方程中增加源项方法：在流动方程中增加源项连续性方程：0iixu修改后的动量方程：djieffjijijiFxuxxPxuutu)(1SauCFidd21修改后的方程：修改后的方程：修改后的修改后的方程：方程：kkjiijjiTiktiiiLPxuxuxuxkxxkutk)()(LPkCxuxuxukCxxxutjiijjiTiTiii21
4、)()(31aSCCkPDpaSCCLDp 24321aSCPdkaSkCLdk20123456-5-3-1 1357911 13 15x/hU1(m/s)风洞实验模拟结果 0.00.51.01.52.0-5-3-1 1357911 13 15x/hk(m2/s2)风洞实验模拟结果（a）U1比较（Z=0.25h）（b）k 比较（Z=0.25h）0123456-5-3-1 1357911 13 15x/hU1(m/s)风洞实验模拟结果 0.00.51.01.5-5-3-1 1357911 13 15x/hk(m2/s2)风洞实验模拟结果（c）U1比较（Z=0.75h）（d）k 比较（Z=0.75
5、h）0123456-5-3-1 1357911 13 15x/hU1(m/s)风洞实验模拟结果 0.00.51.01.5-5-3-1 1357911 13 15x/hk(m2/s2)风洞实验模拟结果（e）U1比较（Z=1.25h）（f）k 比较（Z=1.25h）与风洞实验的对比与风洞实验的对比冠层模型源项中参数研究 目前冠层流动模拟最大的不同)4(4231231aSkCCaSCCkaSCCaSCCkSdpdpdpdp推荐、取值为和 不同树形对流场影响模拟分析 模型参数选择优化研究（模型参数选择优化研究（）()()築地松築地松（）2jifuuaCiiFukpFCk1 ,.()()()()()()
6、()()()()()()()()()()()()()()()()()()()()()()()()树后垂直方向速度轮廓线比较树后垂直方向速度轮廓线比较:实测:061200.71.4U/UHHeightm061200.71.4U/UHHeightm061200.71.4U/UHHeightm061200.71.4U/UHHeightm061200.71.4U/UHHeightm061200.71.4U/UHHeightm061200.71.4U/UHHeightm061200.71.4U/UHHeightm061200.71.4U/UHHeightm061200.71.4U/UHHeightm06
7、1200.71.4U/UHHeightm061200.71.4U/UHHeightm061200.71.4U/UHHeightm061200.71.4U/UHHeightm061200.71.4U/UHHeightm061200.71.4U/UHHeightm061200.71.4U/UHHeightm061200.71.4U/UHHeightm061200.71.4U/UHHeightm061200.71.4U/UHHeightm061200.71.4U/UHHeightm061200.71.4U/UHHeightm061200.71.4U/UHHeightm061200.71.4U/UHH
8、eightm061200.71.4U/UHHeightm061200.71.4U/UHHeightm061200.71.4U/UHHeightm061200.71.4U/UHHeightm061200.71.4U/UHHeightm061200.71.4U/UHHeightm()()()()()()()垂直速度分布比较垂直速度分布比较(取值设为时取值设为时)061200.71.4U/UHHeightm061200.71.4U/UHHeightm061200.71.4U/UHHeightm061200.71.4U/UHHeightm061200.71.4U/UHHeightm推荐选值推荐选值值选
9、择的讨论及说明（拽力系数）会直接影响植物冠层对流动，因此在建筑环境领域应用时需仔细选取Cd Cdf 类别 落叶前 落叶后 落叶前 落叶后 草丛 0.05/0.045/灌木丛 0.050.15/0.050.125/森林/树林 0.30.8/0.20.6/漆树 0.0740 0.0011 0.055 0.0008 垂柳 0.1178 0.0011 0.0716 0.0007 枫树 0.6810 0.0067 0.0342 0.0003 樱桃树 0.0132 0.0002 0.0381 0.0006 女贞树 0.2031 0.0033 0.0658 0.0011 接骨木 0.3285 0.0031
10、0.1037 0.0010 法国褪色柳 0.3904 0.0085 0.1904 0.0041 无花果树 0.0190 0.0002 0.0454 0.0005 大山茱萸 0.0527 0.0011 0.0789 0.0017 中型山茱萸 0.0522 0.0017 0.0455 0.0015 小山茱萸 0.0322 0.0005 0.0597 0.0010 卫茅 0.0111 0.0004 0.0823 0.0026 实例应用：不同绿化方式对居住区热岛效应和热舒适的模拟分析风向风速 高度气象数据（月日）气象数据（月日）灌木灌木草草树树总的绿量率（）总的绿量率（）住宅楼住宅楼尺寸尺寸（长宽高）
11、（长宽高）离地面离地面高度高度短波短波反射反射率率长波长波发射发射率率蒸发蒸发率率叶面积密叶面积密度度（）树树草草灌灌木木建建筑筑凉凉亭亭不透明不透明短波短波反反射率射率长波长波发射发射率率蒸发蒸发率率导热系数导热系数（）密度密度（）比热比热（）外墙外墙混凝土路混凝土路面面凉亭凉亭边界条件设定：气温分布气温分布（草）：（草）：气温分布气温分布（灌木）：（灌木）：气温分布气温分布（树木）：（树木）：分布分布（草）：（草）：分布分布（灌木）：（灌木）：分布分布（树木）：（树木）：在相同绿量（）下，不同绿化方式对居住区热岛效应（温在相同绿量（）下，不同绿化方式对居住区热岛效应（温度）和热舒适状况（，
12、标准有效温度）的影响度）和热舒适状况（，标准有效温度）的影响由于草、树木和灌木对风速的衰减由于草、树木和灌木对风速的衰减作用和对太阳辐射的遮挡作用不同，作用和对太阳辐射的遮挡作用不同，对热岛和热舒适的影响不同对热岛和热舒适的影响不同北京；月日；南风；风速；来流空气温度北京；月日；南风；风速；来流空气温度以为周期，传导、辐射、对流耦合计算以为周期，传导、辐射、对流耦合计算住宅楼住宅楼草坪 灌木 树木 比较（）比较（）草坪 灌木 树木 比较（）比较（）草坪 灌木 树木 比较（）比较（）草坪 灌木 树木 比较（）比较（）草坪 灌木 树木 比较（）比较（）草坪 灌木 树木 比较（）比较（）分析分析、时
13、建筑东、南、西面周围环境高处的和值的高低、时建筑东、南、西面周围环境高处的和值的高低顺序是：树木顺序是：树木 灌木或草坪。树木对其周围热环境灌木或草坪。树木对其周围热环境的改善效果最好，灌木和草坪则差别较小。的改善效果最好，灌木和草坪则差别较小。建筑北面由于基本处于建筑阴影之下，无论树木、建筑北面由于基本处于建筑阴影之下，无论树木、灌木还是草坪，差别都很小灌木还是草坪，差别都很小 但在，建筑南面周围环境高处的值基本没有区别，但在，建筑南面周围环境高处的值基本没有区别，甚至树木绿化对应的值略高甚至树木绿化对应的值略高 不同绿化对室外热环境影响与具体的时刻、实际的不同绿化对室外热环境影响与具体的时
14、刻、实际的建筑布局、朝向等条件建筑布局、朝向等条件 有关有关东西朝向不同形式绿化比较东西朝向不同形式绿化比较分析分析无论：、：，总的说来，树荫下最舒适，其次是凉亭，无论：、：，总的说来，树荫下最舒适，其次是凉亭，最后是灌木和草坪（二者差别不大）最后是灌木和草坪（二者差别不大）在后排建筑的东西朝向，凉亭的效果和树木差不多，在后排建筑的东西朝向，凉亭的效果和树木差不多，原因是树木对风速有一定的衰减作用，因此尽管树荫原因是树木对风速有一定的衰减作用，因此尽管树荫下的平均辐射温度略低于凉亭下，但二者的热感觉基下的平均辐射温度略低于凉亭下，但二者的热感觉基本相同本相同 不同树木布置方式的比较不同树木布置
15、方式的比较（）（）（）（）（）（）比较（）比较（）比较（）比较（）小结小结多数情况下（不同时间、建筑不同朝向周围环境）树多数情况下（不同时间、建筑不同朝向周围环境）树木对夏季室外热环境的改善作用较好，而灌木则和草木对夏季室外热环境的改善作用较好，而灌木则和草坪相差不大坪相差不大存在树木对周围热环境改善效果不如灌木和草坪的情存在树木对周围热环境改善效果不如灌木和草坪的情况况 对于不同朝向的建筑而言，相同绿化形式在不同时刻对于不同朝向的建筑而言，相同绿化形式在不同时刻对热环境的改善效果不同对热环境的改善效果不同 即便是完全遮挡阳光的凉亭，由于自身材料蓄热和长即便是完全遮挡阳光的凉亭，由于自身材料蓄
16、热和长波辐射作用，它对热环境的改善效果一般情况下反而波辐射作用，它对热环境的改善效果一般情况下反而不如树木不如树木 实例：上海世博园住宅重置区景观绿化模拟优化研究工作内容工作内容上海世博会需要对原居住居民进行重新安置，重建小区上海世博会需要对原居住居民进行重新安置，重建小区上海植物园负责新建小区的景观、园林设计工作上海植物园负责新建小区的景观、园林设计工作根据十一五课题根据十一五课题“景观绿化与热岛缓解技术景观绿化与热岛缓解技术”要求，清华要求，清华大学和上海植物园合作，利用模拟技术对不同的景观绿化大学和上海植物园合作，利用模拟技术对不同的景观绿化进行评价、改进进行评价、改进在这里，不同的模拟
17、方法进行的比较分析，给出了设计建在这里，不同的模拟方法进行的比较分析，给出了设计建议，这也是模拟技术全面和景观、园林规划相结合的重要议，这也是模拟技术全面和景观、园林规划相结合的重要探索探索 :()(),(,(植樹植樹)()(低木低木)()()()():()()()():()().,.,.:()（）（）（）（）(）（）()()()()()().()()?.,.,.喷泉对室外热环境影响的模拟研究实验情况实验情况 喷口喷口 间距间距仪器仪器标准黑球自计仪标准黑球自计仪电敏式温度自计仪电敏式温度自计仪温度自计仪温度自计仪热线风速自计仪热线风速自计仪喷泉对周围热环境影响的实验研究 轴线上空气干球温度变
18、化轴线上空气干球温度变化喷泉两侧干球温度喷泉两侧干球温度喷泉后方较远处气温变化情况喷泉后方较远处气温变化情况下风处气温下降下风处气温下降 周围气温平均下降周围气温平均下降迎风侧基本无影响迎风侧基本无影响25272931333512:3013:3014:3015:3016:30时刻干球温度/oCS3S2S1N1N2N3N4 23252729313312:3013:3014:3015:3016:30时刻干球温度/oCS1E1N1W1 26283032343612:3013:3014:3015:3016:30时刻干球温度/oCS2NEN2N3NWW2 实验结果实验结果喷泉周围黑球温度变化喷泉周围黑球
19、温度变化27313539434712:3013:3014:3015:3016:30时刻黑球温度/oCN1E1W1W2N2 轴线上相对湿度变化轴线上相对湿度变化喷泉两侧相对湿度变化喷泉两侧相对湿度变化455565758512:3013:3014:3015:3016:30时刻相对湿度/S2S1N1N2N3 40506070809012:3013:3014:3015:3016:30时刻相对湿度/S1E1N1W1W2 喷泉模拟方法、从单个水珠出发，建立了水珠与空气的热质交换的、从单个水珠出发，建立了水珠与空气的热质交换的计算公式，同时采用拉格朗日方法，在模型的基础上，计算公式，同时采用拉格朗日方法，在
20、模型的基础上，给出空气与水珠热质耦合计算的数学模型，并且将模给出空气与水珠热质耦合计算的数学模型，并且将模型嵌入软件中型嵌入软件中、对直管压力射流破碎过程进行模拟分析，进而模拟、对直管压力射流破碎过程进行模拟分析，进而模拟了喷泉周围热环境，并将模拟结果与实验测量结果进了喷泉周围热环境，并将模拟结果与实验测量结果进行了对比，验证了喷泉模型的准确性行了对比，验证了喷泉模型的准确性喷泉模拟方法、根据小区环境联合模拟程序的特点，、根据小区环境联合模拟程序的特点，给出了喷泉嵌入联合模拟程序的方法；给出了喷泉嵌入联合模拟程序的方法；、对影响喷泉周围热环境的各参数进、对影响喷泉周围热环境的各参数进行数值实验
21、行数值实验拉格朗日方法拉格朗日方法ppUdtxd水珠在空气中的运动轨迹水珠在空气中的运动轨迹gmUUDrdtUdmppppp)(动量方程动量方程 3210,min,maxlt时间步长时间步长 ccUUU流速流速 标准偏差标准偏差 32k水珠的数量不能满足连续性的要求，水水珠的数量不能满足连续性的要求，水珠在计算空间的分布很不均匀；珠在计算空间的分布很不均匀；粒径分布范围较广，水珠沿轨迹运动时，粒径分布范围较广，水珠沿轨迹运动时，直径变化较大；直径变化较大；如果采用欧拉方法，必须采用多粒径模如果采用欧拉方法，必须采用多粒径模型，不仅需要大量的硬件资源，同时也型，不仅需要大量的硬件资源，同时也会导
22、致比较严重的数值发散问题；会导致比较严重的数值发散问题；模型连续性方程连续性方程GccccccSSUt)()()(各种源项方程：各种源项方程：336npnpopopmDDS336npnpnpopopopmomDUDUS336npnpnpopopophDhDhS将水珠对空气的影响将水珠对空气的影响考虑成空气的质量、动考虑成空气的质量、动量和能量源项量和能量源项整个连续态流场通过整个连续态流场通过欧拉方法求解离散的差欧拉方法求解离散的差分方程得到分方程得到水珠的轨迹、尺寸和温度变化过程通水珠的轨迹、尺寸和温度变化过程通过对水珠在流场中运动方程进行积分过对水珠在流场中运动方程进行积分得到，采用粒气热
23、质交换率，计算得到，采用粒气热质交换率，计算采用拉格朗日方法采用拉格朗日方法平均粒径分布计算平均直径平均直径采用采用 平均直径模型用于质量传输研究平均直径模型用于质量传输研究基于最大熵原理基于最大熵原理,粒径变化范围粒径变化范围,直径分布公式：直径分布公式：)/(1abbabiiaiiDNDNDSMDdDSMDDSMDDdN3323)3/5(1exp)3/5(325.05.025.025.025.025.2alllPmSMD0.000.050.100.150.200.250.300.350.000.501.001.502.002.50无量纲直径DN02040608010012014016018
24、0粒子数104 对于压力旋转喷嘴对于压力旋转喷嘴:水珠轨迹模拟与实际的对比水珠轨迹模拟与实际的对比0.00.51.01.52.02.53.03.54.04.519.5 20.0 20.521.0 21.5 22.0 22.5X/mY/m 0.00.51.01.52.02.53.03.54.04.516.517.017.518.018.5Z/mY/m 对影响因素进行研究，包括对影响因素进行研究，包括:来流风风速来流风风速射流条件，包括喷水水温、平均射流条件，包括喷水水温、平均粒径、射流速度和喷水流量；粒径、射流速度和喷水流量；喷泉布局，包括喷嘴的并排与叉喷泉布局，包括喷嘴的并排与叉排、喷嘴布置长
25、宽比和喷嘴间距等排、喷嘴布置长宽比和喷嘴间距等标准工况为：干球温度标准工况为：干球温度 ，相对，相对湿度，含湿量湿度，含湿量 干空气，来流风速干空气，来流风速 ，射流水温为射流水温为 :喷嘴直径：不同来流风速的影响不同来流风速的影响 （）（）（）（）（）（）（）（）（）（）（）（）（）（）（）（）（）（）不同喷水温度的影响不同喷水温度的影响 不同喷泉布置方式的影响研究不同喷泉布置方式的影响研究结论结论模拟表明：模拟表明：布置在空旷区域（提高来流风速）、降低喷水温度是布置在空旷区域（提高来流风速）、降低喷水温度是提高喷泉周围热环境最合理有效措施；提高喷泉周围热环境最合理有效措施；也可以通过改善喷嘴性能来降低粒径大小；也可以通过改善喷嘴性能来降低粒径大小；喷泉射流高度控制在喷泉射流高度控制在 左右，不建议通过提高射流速度左右，不建议通过提高射流速度和喷水量来提高热舒适性；和喷水量来提高热舒适性；喷嘴的排列选用并排的方式，并且增大垂直来流风方喷嘴的排列选用并排的方式，并且增大垂直来流风方向的长度，而减小沿来流风方向的布置数量向的长度，而减小沿来流风方向的布置数量谢谢！欢迎交流、讨论！
