建筑风环境模拟中风参数不确定影响分析

稳定性和收敛性； 在计算模型方面，调研结果显示， 目前在风环境模拟工程应用中普遍使用标准 k-e 模 型，相关文献指出湍流模型的选择取决于流动包含 的物理问题、精确性要求、计算资源的限制、模拟求 解时间的限制； 在计算求解方面，进行收敛判断的案 例占比为 32. 5% ； 在差分格式方面，调研中仅有 2 个案例考虑了差分格式的影响。CFD 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、QUICK 格式和中心差分格式等， 不同的差分格式在求解精度及速度上存在一定的差 异性。此外，在 实 际 应 用 中，采 用 的 模 拟 工 具 多 样 化，其 中 使 用 Fluent、Airpak、Pheonics、Windperfect、 Star-CCM + ，分别占 28. 7% 、28. 7% 、20. 3% 、17. 2% 和 5. 1% ，各模拟工具在求解精度、建模、网格划分 便捷度及计算速度可能存在一定的差异性。
第 32 卷第 8 期 2016 年 8 月
［文章编号］1002-8528（ 2016） 08-0007-06
建筑科学
BUILDING SCIENCE
Vol. 32，No. 8 Aug． 2016
DOI： 10. 13614 / j． cnki． 11-1962 / tu． 2016. 08. 02
对误差 δ 来评价数值模拟与风洞试验结果间的拟合
优度，见式（ 1） ～ 式（ 2） 。
( ) Ｒ2 =
Cov（ X，Y） 2
槡D（ X） 槡D（ Y）
（ 1）
δ = Δ / Y × 100%
（ 2）
式（ 1） ～ 式（ 2） 中： X 为数值模拟值； Y 为风洞试验
值； Cov（ X，Y） 为 X、Y 的协方差； D（ X） 、D（ Y） 分别为
本文以上海地区为例，通过对多个绿色建筑室 外风环境模拟报告案例展开现状调研和归纳分析， 并以一理想模型为例，通过数值模拟定量研究不同 计算区域、网格划分、湍流模型选取、方程离散求解 以及软件工具等技术要点对建筑风环境模拟结果影
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建筑科学
第 32 卷
响的敏感性。
1 现状调研与分析
为了全面了解风环境模拟技术应用现状，选用 上海地区 22 家单位完成的 160 个绿色建筑室外风 环境模拟展开调研，图 1 所示各模拟技术要点调研 统计结果。同时，对国内外建筑风环境模拟技术相 关的研究成果进行汇总和比较分析，表 1 中总结出 风环境模拟中在计算区域、网格划分、计算模型以及 差分格式等方面调研结果与技术要点，并展开分析 与讨论如下： 在计算区域方面，调研结果显示当前绿 色建筑风环境模拟技术不规范问题严重，超过 1 /4 的案例未考虑计算区域的影响。然而，计算区域大 小与模拟结果的真实性密切相关，模拟区域小流场 会失真，但过分增大计算区域，造成网格数多，计算 量和成本加大。合理选择计算区域将有助于减少计 算量； 在网格划分方面，调研发现仅有 1 /4 的案例对 网格划分进行了独立性检验，而研究表明在计算流 体动力学中，网格质量的好坏对模拟结果至关重要， 直接影响模拟结果的精度、可靠性以及模拟过程的
面、顶部边界为对称边界。
测定使用分割光纤探头风速仪，测试以 0°风向
流经研究对象，测定地面高度为 2 m 处的风速。
2. 2 数值试验设计
以上述理想街区建筑群模型为基准，分别开展
计算区域、网格划分、湍流模型、差分格式及软件类
型变化条件下模拟结果对比分析和验证。各技术要
点的数值试验工况设计如下（ 见表 2） 。对于不同工 况下模拟结果的对比，主要采用决定系数 Ｒ2 以及相
Yuan Survey and DesignGroup Co． ，LTD，Wuhan 430063，China； 3． Shanghai Green Building Council，Shanghai 201108，China）
Abstract： By surveying cases related to wind environment simulation of green buildings，some important problems were found，such as the non-standard processing method，incomplete main technology factors and unclear set conditions，which resulted in the poor guidance of simulation results． Therefore，taking an ideal model for example，this paper carried out wind environment simulation numerical experiments on different computing areas， meshing，turbulence model selection，and discrete solution and software tools； in addition，one-factor influence analysis and multi-factor sensitivity analysis were both performed to further quantitatively understand impacts of techniques on wind environment of building． The study helped to guide and regulate standardization processes of wind environment simulation and provide a reference for practical engineering application． Keywords： wind environment，green buildings，sensitivity analysis
指导工程应用提供参考。
［关键词］ 风环境； 绿色建筑； 敏感性分析
［中图分类号］ TU119 + . 4
［文献标识码］ A
Sensitivity Study on Key Factors of Wind Environment Simulation for Green Buildings
HU Yidong1 ，ZHUANG Zhi1 ，YU Yuanbo2 ，WANG Xun3 （ 1． Tongji University，Shanghai 200092，China； 2． China ＲailwaySi
× 40 m 的正方形，高度为 10 m，分布在街区内； 以街
区中心的一个 25 m × 25 m × 100 m 的高层建筑物为
研究对象。
在数值计算中，街区模型比例尺为 1∶ 400，中心
建筑物高度 H 处的入流风速为 6. 65 m / s，入流侧风
速采用指数律风速分布，出流侧为自由出流边界，侧
仅有 1 /4 的案例对网格划分进 行了独立性检验。
要求两个连续网格之间的膨胀率应低于 1. 2 或 1. 3； 每单位建筑体 积至少要使用 10 个网格以及每单位建筑间隔要有 10 个网格来模 拟流域。
所有调研案例均使用标准 k-e 模 型。
应用最广泛的是标准 k-e 模型，适合于较大雷诺数、低旋、弱浮力流 动； 但标准 k-e 模型在模拟建筑绕流时 k 的生成过大，为此出现许多 修正的 k-e 模型，比如 ＲNG k-e 模型、Ｒealizable k-e 模型等。
然而，从表 1 中也可见不同文献对同一技术要 点给出了不同的规定或推荐值，关键技术要点参数 取值的差异性对建筑风环境模拟结果准确性的影响 程度以及各个软件的求解精度、建模、网格划分便捷 度及计算速度的差异性需要进一步定量研究。
图 1 各模拟技术要点调研统计结果
技术要点 计算区域 网格划分 湍流模型 差分格式 软件类型
0引言
建筑室外风环境模拟对建筑形态设计、建筑布 局、自然通风设计等方面的指导起着重要作用，也是 绿色建筑区域规划的重要内容。然而建筑室外风模 拟过程中涉及到的诸多方面均可能不同程度地影响 室外风环境模拟结果，比如由于在模型简化、计算区 域、网格处理、边界设置、求解方法等方面缺乏统一 的标准，可能会造成建筑室外风环境模拟工作流于
表 1 各技术要点案例调研及文献调研分析表
案例调研
相关成果
73. 1% 考虑计算区域大小范围， 26. 9% 未考虑。
入口（ 上游） 边界： 2 ～ 5H（ H 为目标建筑高度，下同） ； 出流（ 下游） 边 界： 5 ～ 15H； 侧边边界： 3H ～ 5H； 顶部边界： 2 ～ 5H； 德国工程师协 会 VDI 给出了阻塞率设定计算区域； 建议最大阻塞率小于 3% 。
［作者简介］ 庄 智（ 1982-） ，男，博士，高级工程师
［联系方式］ zhuangzhi@ tongji． edu． cn
形式，无法 真 正、科 学 地 指 导 建 筑 设 计［1］。 为 了 确 保计算机模拟结果的可靠性，需要规范化方法来提 高模拟质量，一些学者及相关机构已开展相应研究， 并给出了对 应 技 术 要 点 的 规 定 及 参 数 推 荐 值［2-15］， 但不同的研究对同一技术要点给出了不同的建议及 方法，故需要对关键技术要点参数取值差异性对建 筑风环境模拟结果准确性的影响程度进一步进行定 量研究，给出可靠的相关结论，用于指导并规范风环 境模拟的流程，为风环境模拟的标准化分析工作提 供参考。
绿色建筑风环境模拟技术要点敏感性分析
胡一东1 ，庄 智1 ，余元波2 ，王 勋3 （ 1． 同济大学，上海 200092； 2． 中铁第四勘察设计院集团有限公司，武汉
430063； 3． 上海市绿色建Βιβλιοθήκη Baidu协会，上海 201108）
［摘 要］ 通过对工程领域绿色建筑案例进行调研发现，目前室外风环境模拟分析存在处理方法不规范、技术要点不完
［收稿日期］ 2016-01-22
［修回日期］ 2016-03-30
［基金项目］ 中央高校基本科研业务项目“基于城市街区形态的建
筑群节能设计方法研究”（ 0100219161） ； 科技部国际科
技合作计划项目“夏 热 冬 暖 地 区 超 低 能 耗 建 筑 自 然 通
风技术研究与示范”（ 2014DFA70660-03）
仅有 2 个 案 例考 虑 了 差 分 格 式 一阶格式虽然可以获得物理上可接受的解，但当 Peclet 数较大时，
选择的影响，选取一阶格式。
假扩散较严重。二阶格式比一阶格式精度高，但仍有假扩散问题。
模拟工具选择多样，使用较多的 是 Fluent、Airpak、Pheonics。
分别从建模便捷程度、网格生成、边界条件设置、应用范围等方面对 Airpak、Phoenics Fluent、Star-CD / CCM + 等模拟工具的特点进行对比 分析。
整、设定条件不明确等问题，导致模拟结果具有很大的不确定性，进而影响结果判断和方案设计。以某一理想模型为例，开展
不同计算区域、网格划分、湍流模型选取、方程离散求解以及软件工具等因素下的风环境模拟计算数值试验，进行单因素影响
分析以及多因素敏感性分析，进一步定量认识技术要点对建筑风环境模拟结果的影响程度，为提高风环境模拟规范化水平及
图 2 研究对象及测定点位置
X、Y 的方差； Δ 为 X 与 Y 的绝对误差。 2. 3 计算结果与敏感性分析 2. 3. 1 单因素影响分析
图 3 所示 4 种不同计算区域条件下风环境模拟 结果的对比情况。随着计算区域的增大，风速计算 值与测试值之间的吻合度越大，当计算区域大于 5H
文献 ［2-11］ ［4-5，11］ ［4，12-13］ ［14］ ［15］
第8 期
胡一东，等： 绿色建筑风环境模拟技术要点敏感性分析
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2 数值试验分析
2. 1 计算案例模型
研究以某一理想街区建筑群模型开展数值试验
研究，该模型及风洞试验测点布置如下图 2a、图 2b 所示［16］。所有较低的建筑物都是平面形状为 40 m