国家体育场项目自然通风效果模拟分析

　　 工程概况
　　国家体育场坐落在北京奥林匹克公园中心区南部，俗称“鸟巢”，是北京2008年奥运会的主会场，承担开幕式、闭幕式和田径、足球决赛等活动和赛事。国家体育场占地20.4万平方米， 建筑面积25.8万平方米，长333m，宽298m，高69m。其中地下3层，地上7层。
　　国家体育场观众席的通风设计采用自然通风方式，体现了“绿色奥运、科技奥运、人文奥运”的宗旨。除3、4层以外的区域，包括观众席等处都充分利用场地的出入通道作为自然通风的进风口。由于国家体育场采用的是自然通风，因而在保证热安全的情况下，体育场的正常使用和观众区的热舒适是最需关注的问题。
　　本文的目标是，针对国家体育场 建筑结构的特点，运用计算流体力学(CFD)模拟的手段，对其在典型夏季条件下的比赛区和观众区的自然通风效果(气流速度和温度)进行模拟分析，得到各处的温度、速度等相关的数值模拟结果;并对以上计算结果采用热安全性和热舒适性两种指标对国家体育场自然通风的效果进行分析和评价。
　　在本次分析中，采用的商用CFD计算程序是PHOENICS。
　　物理模型及计算
　　首先对国家体育场进行了物理建模。设定计算区域为440m×360m×90m的方型区域，将体育场置于计算区域中心。为了模拟自然通风下体育场内部的气流组织，将计算区域的各个面均设为相对压力为0Pa的边界，通过体育场内的人员和 灯光发热与外部产生热压，从而形成空气流动。因为模拟的是2008年奥运会开幕式当晚的自然通风效果，因而，我们把计算区域的各个面和场外空间的空气温度设为25℃。本文只考虑纯热压下自然通风的不利工况。
　　由于国家体育场的外形及其内部结构情况非常复杂，所以必须其进行简化。体育场外部结构在对自然通风口无阻挡的情况下，可以不予考虑。看台部分按照实际情况简化成为上、中、下三层，在忽略其形状上的细节后，以简单的圆和直线组合成计算用的模型，其XYZ方向的尺寸为342.7m×266m×46.5m。第一层和第二层看台之间的空间是流动的最主要入口。外围三、四层为设有恒温空调的封闭区域，在模型简化的过程中以一个24℃恒温的圆环代替;对于第三层看台的马鞍形形状用平面代替，忽略了看台表面的座椅以及阶梯，统一处理成平面。看台上的各个出入口均按照实际的尺寸给出，忽略出口处的形状细节。体育场顶部的形状采用简单的圆和直线组合而成，忽略其马鞍形的形状，根据其顶部的通透面积占整个面积的比例，建模时将顶部部分面积挖空，成为空气流动的通道。图1为简化后国家体育场的物理模型。
　　同时，我们将整个看台上部垂直高度2m内的空间作为热源区域，包括观众发热720万W和 灯光 照明辐射热50万W，热量均匀分布;比赛区域内设定50万W的热源作为开幕式时人员发热量，热源在XY方向的尺寸为130m×95m。
　　计算结果及讨论
　　图2是体育场沿Z轴方向的中心面温度场剖面图(Y=180m)。其中，暖色调为温度较高的区域，冷色调为温度较低的区域。可以看到，由于体育场的形状基本对称，所以温度场也呈对称。我们关注的比赛区和观众区由于人体散热，温度较高，其周围临近区域内的温度均维持在31℃左右。图3是体育场比赛区的温度横剖面图(Z=1.5m)，这是比赛区人员活动平均高度。由图可见，比赛区温度比周围区域温度高，是因为开幕式的时候比赛区有大约5000位演员及运动员，其发热量较大，但总体而言，比赛区温度仍低于33℃，可以为人员接受。图4、5分别是下观众区(Z=3m)、上观众区(Z=28m)典型断面的温度场情况。由图可见，观众区温度较体育场中间部分温度要高，这是由于观众是很大的热源，观众区周围的空气被加热，所以温升明显。但总体来看，观众区温度仍低于32℃，可以为人员接受。