建筑室外风环境CFD模拟技术研究现状(2)

U ( Z )=U ( ) / a -B

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李魁山等认为在网格划分时要进行局部加密， 并且相邻的 2个网格的尺寸比应尽量不大于 1 . 3,

式中： 为参考高度 Z 处的平均风速 1 6]; O t为地面粗糙度指数。参考高度 z 一般在高度为 1 0米处。当 z大于某一高度 z时，不同的地面条件，地面粗

相邻网格中心线的连线应尽量保持平行。优先采用六面体网格系统，其次考虑棱柱与四面体混合网格系统，尽量不要采用单一四面体网格系统。网格在壁面处应满足壁面函数应用要求。绿色建筑设计标准…对室外风场的网格划分规定：建筑的每一边人行区 1 . 5 m或 2 m高度应划分 1 0个网格或以

糙度指数值不同，可参考新修订的 G B 5 0 0 0 9— 2 0 1 2 ( (建筑结构载荷规范》规定Ⅲ,如下表 1所示。表 1不同类型地表面下的值与梯度风高度

上；重点观测区域要在地面以上第 3个网格和更高的网格以内。根据欧洲 C O S T 要求，网格拉伸/压缩比在高梯度区域应很小，以使截断误差小， 2个连

续网格之间的膨胀率应低于 1 . 3。在所关注的区域，每单位建筑体积至少要使用 1 0个网格以及每单位建筑间隔要有 l 0个网格来模拟流域，通常作为一1 . 4 . 2 出口边界

个初

始的最小网格分辨率。日本 A I J¨规定网格在大速度梯度的地区，相邻网格最好设置为 1 . 3或更

欧洲 C O S T 认为在障碍物后面的边界，使用开式边界条件，一般为出流或定静压力边界条件。

小的拉伸比。网格最小分辨率应该设置为建筑规模的1/ 1 0,区域内包括目标建筑周围的评估点。细网格的数量在每个维度应该至少为粗网格数量的 1 . 5 倍。1 . 4边界条件设置

在出流边界条件下所有变量的导数为零，它是对应于 1个充分发展的流动。对于 L E S模型，应使用对流出流边界条件 1 3]。日本 A I J…认为所有变量梯度为零作为出流边界条件。出流边界要放在对建筑物的影响可以忽略不计的地方。 因此，出口边界通常设置为自由出流，认为出流面上的流动已充分发展，流动已恢复为无建筑物阻碍时的正常流动，故其出 1 2 1压力设为大气压。出口处截面取在无回流处，采用压力出口边界条件㈨。1 . 4 . 3顶部及侧边界

建筑风环境模拟技术的边界条件设置，主要包括进口边界、出口边界、顶部边界、地面边界和侧面

边界等几个部分。1 . 4 . 1进 r: r边界

在不稳定的大气状态下，地表附近空气之流动由于受地形起伏、建筑物等分布之摩擦作用影响，使

平均风速形成一垂直分布之速度剖面，越近地表面则风速越小，一般称此种受地表粗糙度等因素影响之范围为所谓大气边界层或混合层，且大气稳定度对风场中的大气扩散、污染物的传输影响较大，一般而言，平均速度的垂直风向分布可以用较简单的指数或对数剖面表示。欧洲 C O S T 要求在人流处

顶部及侧边界条件的设定对保持平衡边界层分布是非常重要的，通常认为边界层受恒定剪切应力作用。这是因为顶部和左右两侧面离建筑的距离足够远，空气流动几乎不受建筑物的影响，可认为自由滑移表面。通常是在计算域顶部位置，沿整个顶部边界指定人流的速度及湍流参数¨。对于左右侧边界条件的设定，当流动方向平行于侧边界时，为了

通常规定平衡边

界层，距离至少为最高建筑高度的5倍。平均速度分布通常是从相应粗糙度为 z的

使平行流在边界法向上的速度分量为零，在C F D商

第 2期

庄

智，等：建筑室外风环境 C F D模拟技术研究现状

业软件中通常采用对称边界。对称边界条件，是通过迫使法向速度分量为零来加强一个平行流，且规定其他所有变量的导数为零 - z。 日本 A I J 认为如果计算域的尺寸足够大，那么侧面和顶部边界条件对目标建筑物周围的计算结果没有很大的影响。采用非粘壁状态 (通常速度分量和切向速度梯度为零 )和较大的计算域，将会使计算更加稳定。1 . 4 . 4地面边界

一

。

通常 C F D软件都配有多种湍流模型，包括代数

模型、一方程模型、二方程模型、雷诺应力湍流模型等，有的甚至已将大涡模拟也列入。对工程应用而言，应用最广泛的是二方程 -模型，它适合于较大雷诺数、低旋、弱浮力流动，计算成本低，在数值计算中波动小、精度高。。但是，标准 .模型的耗散性过强，为此出现许多修正的 k - 8模型，比如 R N GJ j} s模型、 R e a l i z a b l e j} . 8模型。马剑等¨研究认

为，采用 R N G一 8湍流模型的计算值在钝体绕流的拐角区域偏大，但整个计算区域的风速比值分布及背风负压区域的计算值与试验值较接近。采用

对于建筑壁面及下垫面，通常选取的标准一

模型仅适用于离开壁面一定距离的完全湍流区域， 在固体壁面附近，由于层流粘性作用影响加强，必须对标准一模型加以修正。为了减少了计算成

R N G k - 6湍流模型的数值计算值与风洞试验值相比，在建筑物的拐角分离区域偏大，背风负压区吻合良好，总体上较好。D B 1 1/ 9 3 8— 2 0 1 2《绿色建筑设计标准》(北京) 建议，在计算精度不高且只关注 1 . 5 I n高度流场可采用标准 k - 6模型。而对强旋流、浮力流和近壁流等明显各向非同性的流动，二方

本，壁面函数是 1种用于计算壁面剪切应力的替代方

法。通过壁面函数法，壁面剪切应力是由墙壁法线方向上第 1个计算节点与墙壁之间的对数流速分布的假设来计算的。除了光滑墙壁外，在建筑风环境模拟中也会遇到粗糙墙壁，也可采用壁面函数

程k - 8模型适应性较差，可采用各向异性湍流模型， 其考虑了弯曲、漩涡、选装和张力快速变化，对于复杂流动求解精度更高，但大幅度增长计算工作量。 目前工程上风环境模拟中使用各向异性湍流模型还很少，对于各向异性湍流模型的实用性还需要实践进一步检验。 1 . 6离散格式选择

法。D B 1 1/ 9 3 8 . 2 0 1 2《绿色建筑设计标准》(北京) - . 中规定，对于未考虑粗糙度的情况，采用指数

关系式修正粗糙度带来的影响；对于实际建筑的几何再现，应采用适应实际地面条件的边界条件；对于光滑壁面，应采用对数定律。日本 A I J¨在选择地

面边界条件时，最重要的原则是首先要对 1个不包

含建筑物的简单边界层流动计算试验进行评估。随着流动到下游，垂直剖面的风速在地面附近逐渐改变，应使用在速度剖面逐渐变化的边界条件。1 . 5计算模型选择建筑室外风的流动一般属于不可压缩、低速湍

C F D软件用于计算通量的离散差分格式有一阶迎风格式、指数律格式、二阶迎风格式、 Q U I C K格

式和中心差分格式等，表 2中对其进行比较。在实际应用中，应避免采用一阶差分格式以保证精度要求。

流。湍流模型的选择是风环境模拟的重要工作之表 2常见离散格式的性能比较

1 1 2 1 . 7迭代收敛标准

建建科学

第3 0卷

建立风环境模拟分析的三维几何模型。随着计算机技术的快速发展，目前在工程领域有很多种 C F D模拟软件可用于风环境模拟，然而针对各应用软件在风环境模拟方面的适用性、准确性及标准化等方面目前还缺乏系统的研究。本文列出常见的几种软件对比分析 (见表 3),比如 A i r p a k 、Ph e o n i e s[、

在数学方程进行离散后，通常采用三对角方程组的T

D M A解法对代数方程进行数值迭代，计算残差随着迭代的进行稳定地减小，计算残差减小到指定的理想程度。

欧洲 C O S T 研究认为在工业应用中，通常使用的终止准则是 0 . 0 …… 此处隐藏：2914字，全部文档内容请下载后查看。喜欢就下载吧 ……