高层建筑周围定常风场的数值模拟

文章编号：1671-6612（2007）04-118-03

第21卷第4期 2007年12月 制冷与空调

Refrigeration and Air Conditioning Vol.21 No.4 Dec. 2007.118～120

高层建筑周围定常风场的数值模拟

张 涛 陈宝明

（山东建筑大学热能工程学院 济南 250101）

【摘 要】 通过对高层建筑周围定常风场的数值模拟与原型试验结果的比较，分析了在进行数值模拟时，入

口边界条件和湍流模型等因素对计算结果的影响。模拟结果表明，入口边界条件和湍流模型均对模拟结果具有较大影响。其中，入口边界条件中速度分布对计算结果的影响大于湍流强度分布对计算结果的影响，而RNG k-ε湍流模型的计算精度优于标准k-ε湍流模型。

【关键词】 计算流体动力学，UDF，高层建筑，数值模拟 中图分类号：TU834 文献标识码：A

Numerical simulation of steady wind flow around high buildings

Zhang Tao Chen Baoming

(Institute of thermal energy Engineering,Shandong JianZhu University,Jinan ,Shandong,250101)

【Abstract】 Compared numerical simulation of steady wind flow around high buildings with full-scale building tests,the effect of inlet boundary condition and turbulence model on results is analysed.The results show that the effect of the two factors are both obvious.The effect of velocity distribution is larger than turbulence intensity and the calculation precision of RNG k-εturbulence model is better than standard k-εturbulence model.

【Keywords】 computational fluid dynamics(CFD),user defined function(UDF),high building,numerical simulation

0 引言

随着计算机性能的提高和计算流体动力学的

发展，数值模拟技术在建筑风工程中的应用越来越广泛。与传统的风洞试验相比，数值模拟具有以下优点：①成本低，所需周期短；②不受模型尺度影响，可以进行全尺度的模拟；③可以方便地变化各种参数；④易于实现结构设计的数字化、一体化。本文采用美国德克萨斯技术大学（TexasTech University，TTU）所做的原型试验[1]作为标准，利用专业的流体动力学软件平台提供的UDF（user defined functions）编程技术，模拟计算了大气边界层风速剖面指数分布以及湍动能k和湍流耗散率ε的初始化分布。选取风向垂直于建筑物时，建筑物迎风面、顶面和背风面中线的压力系数作为比较的标准，将模拟结果与原型试验结果进行比较，从收稿日期：2006-09-13

张涛，男，1982年2月出生，在读研究生。

而作进一步的分析与讨论。

1数学模型的建立

为了计算单体建筑静态绕流风的流场，在直角坐标系下，采用k ε湍流模型的控制方程[2]的张量形式为：

连续性方程： 动量方程：

uj xj

=0 ⑴

(ρuiuj) xj

p = +

xi xj

ui uj

+ (η+ηt) xj xi

（2）

湍流脉动方程：

第21卷第4期 张涛等：高层建筑周围定常风场的数值模拟 ·119·

(ρujk) xj

=

xj

ηtη+ σk

k ui ui uj

+η(+ ρε t xxxx jji j

（3）

湍流耗散率方程：

η (ρukε)

η+t= σε xk xk

ε ε ui ui ujε2

+(+) ηρcc2 x1kt x x xikjj k

（4）

其中，ηt=

cµρk2

，i、j、k=1，2，3，分别表示

图1 网格划分

ε

x、y、z方向上的分量,ρ、p分别表示空气的密度和

压力，k、ε分别表示湍流脉动动能和湍流脉动动能的耗散率。

RNGk ε模型来源于严格的统计技术，它与标准k ε模型很相似，但其具有以下几点改进：

（1） RNGk ε模型在ε方程中增加了一个条件，从而有效的改善了精度。

（2） 考虑了湍流漩涡。

（3） RNG理论为湍流Prandtl数提供了一个解析公式，而标准k ε模型使用的是常数。

（4） 标准k ε模型是一种高雷诺数的模型，而RNG理论则提供了一个考虑低雷诺数流动粘性的解析公式。

由于上述特点，使得RNGk ε模型比标准k ε模型在更广泛的流动中具有更高的可信度与精度。标准k ε模型和RNGk ε模型中使用到的系数[2]详见表1。

k ε标准RNGk

2.2 边界条件的设定

（1）入口边界：工况Ⅰ与工况Ⅳ根据原型试验，将入口风速取为8.6 m/s；工况II、工况III、工况V与工况Ⅵ模拟大气边界层风速剖面符合幂 指数分布规律[3]，其表达式为 uu0=(zz0)α 式 中z0、u0分别为参考高度和参考高度处的风速，根据原型试验取z0=4 m、u0=8.6 m/s；z、u分别为流域中某高度和其对应的平均风速；α为地面粗糙度，本文取α=0.18。此外，入口处湍流强度Ｉ、湍动能k和湍流耗散率ε的计算公式如下：

I=0.1(

z 0.25，k=3(uI)2，ε=ck⑸ µavg

l2zg

34

32

式中，zg表示梯度风的高度，uavg为平均流速，cµ是经验常数（cµ=0.09），l是湍流尺度，其表达式为l=κz（系数κ由试验测定得出，为0.41）。

（2）出口边界：由于出流接近完全发展，所以采用质量出口边界条件。

（3）流域顶部和两侧[4]：由于本文所选取的计算流域较大，故顶部和两侧采用对称边界条件，相当于自由滑移的壁面。

（4）建筑物表面和地面：采用无滑移的壁面条件。

1.3

ε

模型

0.09 1.440.085 1.42

1.92 1.0

模型

1.68 0.7179 0.7179

2 物理模型的建立

2.1 几何建模与网格划分

单体建筑的几何尺寸为13.7m×9.1m×4m，计算流域取为123.3m×118.3m×20m，建筑物置于流域沿流向的前1/3处。对流域边界面及建筑物表面用三角形单元进行离散。完成整个流域非结构化网格的划分后，其网格划分情况如图1所示。

3 计算结果与分析

3.1 压力等直线

无量纲的压力系数Cp定义为

Cp=

p0.5 ρ u

20

⑹

式中:p为建筑物外表面风压，ρ为空气密度，

·120· 制冷与空调 2007年

取为1.225kg/m3，u0为距离建筑物充分远处建筑物高度处的风速。 3.2 计算工况

本文共计算了6种工况，具体情况见表2。

表2 计算工况说明

编号 工况I 工况II 工况III 工况IV 工况V 工况VI

说 明 不引进UDF程序 引进梯度风的UDF程序

引进梯度风和k、ε初始值的UDF程序

不引进UDF程序 引进梯度风的UDF程序

引进梯度风和k、ε初始值的UDF程序

间的差别较小,但是根据工况VI计算的结果与试验值更为接近。

上述比较结果表明，RNGk ε模型的计算精度要优于标准k ε模型。

工况I、II、III采用标准k ε湍流模型进行模拟计算，工况IV、V、VI采用RNGk

ε湍流模型进行模拟计算。

图3 不同湍流模型下的计算结果与试验值的比较

3.3 计算结果

3.3.1 入口边界条件的影 …… 此处隐藏：2328字，全部文档内容请下载后查看。喜欢就下载吧 ……