基于CFD模型的城市湖泊温度效应变化规律研究

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近年来,城市发展的速度加快,使得城市下垫面属性发生明显改变,城市热环境问题日益严重。而在城市下垫面中,城市湖泊由于其水体的基本特性,在改善城市热环境方面作用显著。本文以湖南烈士公园湖泊周边400m场地为研究区域,采用定点实测和CFD数值模拟的方法,探究城市湖泊温度效应的发生机理及变化规律,找出影响温度效应的主导因子。主要研究内容如下:(1)对湖泊温度效应的相关概念、国内外研究现状和理论基础进行了总结和梳理,并探究了水体的基本特性和城市湖泊调节气温的作用机理。(2)采用平行定点实测对湖泊温度效应的日变化规律、季节差异性规律及影响范围、主导因子进行研究。实测表明湖泊在春季(4月及5月)、夏季及秋季白天对周边呈现降温效应,且夏季降温效应最强,平均降温1.75℃,秋季降温效应稍弱,平均降温0.99℃,春季(4月及5月)降温效应最弱,平均降温0.78℃。湖泊在春季(3月份)及冬季白天对周边呈现增温效应,1月份增温效应最强,平均增温1.26℃,春季3月份次之,平均增温1.09℃,冬季2月份增温效应最弱,平均增温0.58℃;湖泊温度效应的类型与作用强弱与白天温度的高低明显相关,与白天温度的变化幅度关系不大。在春、夏、秋三季中白天气温最高的时间段(13:00-15:00),降温效应最强,在气温最低的时间段(8:00-9:00或17:00-18:00)降温效应最弱。在春季3月份及冬季白天气温最高的时间段增温效应最弱,在气温最低8:00增温效应最强;湖泊温度效应对周边环境的有效影响范围不是一成不变的,在不同的季节和月份中,呈现不同的分布规律。(3)对研究区域进行CFD数值模拟分析,并分别改变单一因子研究了各主导因子对夏季湖泊温度效应的影响。结果表明在一定尺度内,湖泊面积的大小与湖泊温度效应的作用强度和影响范围呈正比。当湖泊面积为0时,研究区域风速提升了 0.15-0.3m/s,研究区域整体温度上升幅度为0.6-4℃,其中湖泊周边及下风向区域增温2.4-4℃,说明夏季湖泊白天对下风向区域降温效应最明显。当湖泊面积减为一半后,研究区域内风速变化不明显,风速分布情况大致不变。研究区域内温度整体上升了 0.8-2.4℃,温度规律分布与实际模型的算例几乎一致,湖泊对周边区域呈现降温效应,但由于湖泊面积的缩小,降温作用和影响范围都被减弱,其中水体及周边区域增温最明显,温差为1.4-1.8℃,其次为下风向区域,增温0.9-1.2℃,对上风向区域的影响最小,增温0.5-0.9℃。湖泊温度效应对垂直方向上的影响范围也随之减小。其中湖泊上方温度效应的范围由原来的最高80m缩减为60m;在不改变建筑密度、建筑布局的前提下,仅小幅度的改变建筑后退距离,去除距离湖岸近的建筑或建筑群,对夏季湖泊温度效应的影响较小;夏季湖泊降温效应的影响范围与作用强度与周边环境建筑的高度有明显的关系,湖泊周边建筑越高,湖泊对周边的降温效应越弱,垂直方向和水平方向上的影响范围也跟着减小;在不减少湖泊周边区域的建筑数量,不控制建筑高度的前提下,单一的增大建筑群中建筑之间的间距,会增大建筑群对周边区域的辐射影响范围,使得局部升温,对湖泊温度效应的改善作用不强。本文研究的目的是通过对湖泊温度效应变化规律及影响机制的研究,能更好的发挥城市湖泊对周边环境的温度调节作用,为城市湖泊周边区域的规划方法和建设思路带来些许启示,提供一定的参考价值。同时希冀在未来的城市开发和规划中能够更多的利用如CFD的数值模拟软件,对建设区域进行热环境和风环境模拟,尽量规避开发中的不利因素对热环境的恶劣影响,为改善城市恶劣的热环境问题做出贡献。
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