央视大楼的风该如何吹？—— 纯技术探讨：央视新大楼的风场数值模拟
1. 介绍
1.1 CCTV大楼简介
中央电视台（CCTV）总部是一幢高234m的44层摩天大楼，由OMA设计，位于北京CBD，东三环与光华路路口，周围有大量高层建筑环绕，例如中国尊（525m）、国贸三期（约300m）。中央电视台的另外一栋大楼电视文化中心（TVCC）位于中央电视台总部大楼的北边，高159m。
图1 中央电视台总部大楼规划蓝图
图2 中央电视台总部大楼场地位置
1.2 北京市风场描述
北京市每年的平均风速为2.4m/s，如图3所示，与全年的其他季节相比，春天的风较大。
图3 北京市全年风速分布
如图4所示，北京市主要的风向为北风，全年最高风速在一月份达到13.6m/s，一月份的平均风速大约为5m/s，这两个速度将作为计算的边界条件。
图4 北京市的风玫瑰图
1.3 问题描述
建筑物的存在将对风的流场产生扰动，产生风阻塞效应。特别是高楼的大尺寸和尖锐的形状，会产生更加严重的风的舒适性问题。在CCTV总部大楼的问题中，由于其该大楼有一个棱角分明的环状结构，并被一些高楼环绕，特别是TVCC大楼，其周围的风速在冬天将成为行人高度上的一个潜在问题。
2. 模型
2.1 几何模型
采用SkethUP 2017软件，建立了两个几何模型用于模拟。在全区域的模型中，建立了CCTV和TVCC大楼周围更多的建筑，并采用月均最高风速5m/s作为边界条件进行了稳态模拟；在建筑物尺度上，仅建立CCTV和TVCC大楼，采用精细的网格来捕捉两栋大楼之间的风场流型。
图5 全区域建筑物的几何模型
图6 建筑物尺度的几何模型
2.2 网格
全区域尺度和建筑物尺度的整体计算区域参数如图1和图2所示。在建筑物尺度的模拟中，网格在CCTV大楼处的加密系数为2，在TVCC大楼处的加密系数为3，可以保证考虑到TVCC大楼顶部方孔的相对较薄的边界。
表1 全区域尺度的模拟区域参数
表2 建筑物尺度的模拟参数
2.3 边界条件和模拟参数
入口边界定义为速度边界，湍流采用高Re数和标准壁面函数的RANS模型，涡流黏度比为10，湍流强度为0.1。
两个算例中，Y方向的速度均设置为5m/s，其他方向为0，出口边界为压力边界。
3. 结果和讨论
3.1 大楼周边流场
如图7和图8所示，在建筑物顶部溢流以下的剪切层内，风速低于入口来流速度，而在溢流区域风速较高。从图11中可以看出，在CCTV大楼的顶部及下风方向有一个再循环区域，在此区域内的湍流具有较高的平均湍动能。TVCC大楼的溢流中，风速在顶部的洞中非常高。
如图10所示，在建筑物尺度的模拟中，风速比全区域尺度的模拟要高得多，最高达到12m/s，朝南方向的最高风速大约为9.8m/s。而建筑物尺度模拟中的溢流湍流区域却比全尺度模拟小，如图12所示。造成这种差异的原因可能是在建筑物尺度中没有考虑周围的建筑，造成来流具有不同的速度分布。
图7 朝南方向上的风速
图8 风速结果
图9 建筑物尺度的风速
图10 建筑物尺度的南向风速
图11 全区域尺度的湍动能
图12 建筑物尺度的湍动能
3.2 大楼周围的驻涡
如图13所示，在两栋大楼的周围形成了一个驻涡。这个涡的形成是由于沿大楼边缘的流动形成，该区域的风度低于来流风速。
在CCTV和TVCC大楼之间的底座区域，有一个逆时针方向的驻涡，如图13和图14所示。这个涡的形成是由于TVCC大楼后面的循环流动和CCTV大楼底座产生的向下流动。
在CCTV大楼后面的顺时针的驻涡比两栋大楼之间的要大，但是湍流并不强，它被溢流的高风速切断，如图14所示。
图13 东向视图的风场
图14 W方向上的风场
3.3 行人高度上的建筑物绕流
如图15所示，CCTV和TVCC大楼周围的风速都不高，在大多数区域，风速都低于5m/s，离建筑物越近，风速越低。在冬天，当风向主要为北风时，在TVCC和CCTV大楼中间的E8道路和光华路上，风从西北方向吹过来，如图16和图17所示。
图15 行人高度上的风场
图16 行人高度上的北风风速
图17 行人高度上的东向风速
4. 结论
根据以上讨论，CCTV和TVCC大楼的风阻塞效应非常明显，将导致在大楼周围形成3个大尺度的驻涡。但是，这些驻涡区域内在行人高度上的风速并不高。这可能是由于CCTV大楼底座对该区域有保护作用，底座上部的溢流风速较高，将驻涡隔断。TVCC顶部的洞对风场有一定的扰动，但是不太剧烈。周围的建筑也对TVCC和CCTV大楼周围的风速和流场有较大的影响。模拟结果显示，增加来流的湍流强度降低了大部分区域的风速。
参考文献
[1]: “The influence of the wind-Blocking effect by a building on its wind-Driven rain exposure.” Journal of Wind Engineering and Industrial Aerodynamics, Elsevier, 5 Jan. 2006, www.sciencedirect.com/science/article/pii/S0167610505001376.
