fluent城市建筑流体分析案例，气流，风，和雾霾

2017-03-30 by:CAE仿真在线来源:互联网

前几日,人民网公众号发表了一篇文章《三年后,你会庆幸没有离开京津冀!》。文章中介绍了未来三年京津冀地区协同发展的“惊艳”规划,内容涉及更为快捷方便的城市交通,更为便民的医疗保障,更为安全的食品供应等等诸多方面。其中,关于环境问题的描述更为引人注目。

原文写到:

“雾霾”将成为传说,“阅兵蓝”天天见

曾经,京津冀及周边地区是雾霾“重灾区”。3年后,京津冀地区PM2.5浓度要比2013年下降40%左右。这意味着京津冀地区在2020年便可初步摆脱雾霾的困扰,迎来“绿色时代”。届时,北京建成5条宽度500米以上的一级通风廊道,多条宽度80米以上的二级通风廊道,形成通风廊道网络系统,以提升建成区整体空气流通性。

罗马不能一天建成,雾霾也不可能一下就吹走,愿望是美好的,道路是曲折的

通风廊道是什么?是将很多年前为了阻挡沙尘暴而建的三北防护林砍掉几颗树吗?其实,没这么简单,因为不仅要砍树,而且可能还要“拆楼”。

在《香港规划标准与准则(HongKong Planning Standard andGuideline)》中的《第十一章:城市设计指引》于2006年首次在城市规划中列明城市通风廊道(风道)的定义及功能:“通风廊应以大型空旷地带连成,例如主要道路、相连的休憩用地、美化市容地带、非建筑用地、建筑线后移地带及低矮楼宇群;贯穿高楼大厦密集的城市结构。通风廊应沿盛行风的方向伸展;在可行的情况下,应保持或引导其他天然气流,包括海洋、陆地和山谷的风,吹向已发展地区”。

城市通风廊道的构建是提升城市空气流通能力、缓解城市热岛、改善人体舒适度、降低建筑物能耗的有效措施, 对于城市规划中城市微气候环境的改善有着重要的作用。而城市风道的设计不单单是简单的在规划图上画几条线,而是需要在大量风环境定量计算的基础上,结合城市设计功能布局制定出来的,只有进行了有效的模拟量化分析,才能最大限度的使通风廊道起到改善城市微环境的作用。因此,进行CFD仿真分析是通风廊道设计的必要前提。

CFD在城市规划设计中的应用

建筑群外流场分析

建筑群中各建筑物间的气流组织
夏季有利于通风,避免通风死角
冬季避免风速过高区域
有利于污染物的扩散

高层建筑要考虑梯度风的影响

《中国绿色建筑评价标准》对室外风环境有严格的要求:建筑物周围人行区距地1.5m 高处,风速ν<5m/s,风速放大系数<2,严寒、寒冷地区冬季保证除迎风面之外的建筑物前后压差不大于5Pa,且有利于夏季、过渡季自然通风,住区不出现漩涡和死角。

建筑群污染物扩散分析

污染源的危害评估
分析污染范围,指导下游污染预防
便于及时准确指导疏散
指导不可避免污染源的合理的设计位置

不可避免的会发生一些污染事故,也可不避免的存在一些污染源,如何减少事故造成的损失和降低污染源的影响范围,尤其是在预防方面如何做到,就需要使用CFD来模拟分析,寻找最优的预防方案和合理的设计方案。

建筑风载预测

预测在各种气象条件(不同室外风速)下建筑物,尤其是高大建筑物的风力载荷,用于考虑建筑的结构强度。

有助于优化建筑的几何外形

通过分析优化建筑风载荷,通过适当降低悬挑部分的高度以研究几何参数变化来减少平均风荷载的影响,数值模拟结果说明,适当降低悬挑高度可以显著减小悬挑部分的平均风荷载。

沙尘扩散分析

通过运用CFD对风沙共同作用下建筑物周围风场进行数值模拟,可以对建筑形态对风沙分布形态的影响进行分析,从而优化建筑设计,改善建筑所在区域的空气质量。

其他问题

除上述问题外,还可以进行城市热岛效应,城市局部气候条件等大范围与建筑室外风环境相关的现象的分析。

行人风环境数值评估

大尺度的建筑物和密集的建筑群都会对其周边的风环境造成较大的影响,并可能引起行人风环境问题。局地强风往往由于单个或多个建筑物的钝体外形及布局引起,形成下冲风、狭谷风、穿堂风、角隅风以及尾流风等。常态风况时,会增加行人的不舒适感,影响建筑物的正常使用;极端风况时,将影响行人安全,均需予以避免。

行人风环境评估的阈值超越概率方法包括风不舒适度评估及风危险度评估两部分,其中不舒适或危险“与否”通过风速阈值来界定,而不舒适与危险的“度”则由超越该阈值的概率大小来评判。

对于拟建建筑,基于这些数据资料评估行人风环境的基本程序为:

1) 统计分析常年观测到的风速风向资料,得到各风向角度区间的风频并确定其风速概率分布函数。

2) 通过(数值)风洞试验获取各风向下的风速比。

3) 基于风速比和场地类别,将该场地行人高度的阈值风速转化为观测点处的阈值风速。

4) 将转换风速代入概率分布函数,综合各风向的风频加权求和获得此阈值风速的总发生概率。

CFD在建筑风环境模拟中的关键问题

1、迎风堵塞度

迎风堵截度=模型截面积/迎风面计算区域截面积
迎风堵截度应丌大于4%

2、计算区域长度

建筑后边界到出口距离至少为6倍的计算回流区长度
入口到建筑边界距离为建筑后距离的2/3

3、网格数

在建筑物高度方向应至少有10个节点,建筑物每个侧边应至少有10个网格。网格的最小尺寸应控制在建筑物的尺寸的1/10左右,并且在距离地面高度1.5~5m一下应有至少3个网格。

3、网格长宽比

目标建筑周边的重点观测区域网格长宽比小于1.5
其他区域长宽比对结果影响不大,网格长宽比小于25

4、壁面函数

壁面函数选择Fully-rough(最好分别设定,地面采用Fullyrough,建筑表面采用General-log-law)

5、差分格式

差分格式采用quick格式

6、湍流模型

采用的湍流模型为RNG k-epsilon模型

7、边界条件

入口边界

根据AIJ(Architectural Institute of Japan)推荐,入口速度边界条件为指数幂法则,U(z)=Us(z/zs)a

侧边与顶部边界条件

侧边与顶部边界条件一般采用对称边界或是自由出流边界,采用对称边界条件可能会人为的给流体一个加速,会使流体速度变大;而采用自由出流边界条件可能会改变出口流体流向。通过大量模拟与实验证明,假设在确定计算域时满足上述的计算区域条件,则使用对称边界条件与使用自由出流边界条件对目标区域的影响是可以忽略的。

出口边界条件

若出口边界满足上述计算域条件,则出口边界应设置为自由出流边界条件。

地面边界条件

地面边界条件可以采用光滑壁面对数率法则或有粗糙度的壁面对数率法则,但不管是采用哪种壁面,都应与类似的风洞实验近地面速度分布有较好的一致性。

建筑物边界条件

同地面边界条件。

8、气象参数

选取当地冬季、夏季和过渡季各季中月平均风速最大月的风向风速作为场地风环境典型气象条件。

9、树木处理

通常,研究大尺度的边界层流动时,可通过粗糙度影响修正的壁面函数来模拟近地表环境,这种方法得到的是边界层的整体流动特征,虽然在粘性亚层需要的网格数目较少,但不能模拟植被的详细特征参数,也无法得到植被遮蔽区的湍流结构信息。为了在不增加计算网格消耗的前提下,模拟植被覆盖区复杂的流动特性,可釆用在流动输运方程中附加源/汇项的方法。

开放分享：优质有限元技术文章,助你自学成才