建筑风环境CFD模拟案例

某小区区建筑风环境模拟报告

目录

1. 模拟过程及使用软件介绍 (2)

1.1 建筑风环境模拟使用软件介绍 (2)

1.2 建筑风环境模拟过程 (2)

1.2.1 几何模型的建立 (3)

1.2.2 网格的划分 (5)

1.2.3 求解参数设置 (6)

2. 模拟结果 (12)

3. 建筑风环境模拟研究思路及问题 (16)

附录I 从百度地图获取三维几何模型的尝试 (17)

附录2 Fluent入口边界速度UDF命令 (19)

REFERENCE (19)

建筑风环境的研究主要有三种方式：现场实测、数值模拟和风洞试验。

随着计算机软硬件技术水平的发展，计算能力及计算精度不断提高，计算流体力学（Computational Fluid Dynamics：CFD）的理论和方法得到了不断改进。基于CFD 技术对流场进行模拟具有操作周期短，操作成本低，可反复修改的特性，相比较于现场实测和风洞试验具有更广阔的应用前景。但是由于数值模拟技术对输入的参数十分敏感，必须辅以现场实测或风洞试验的验证。

本次模拟区域直径500m，模拟的工况为10m高度处风速为10m/s，风向为225°，输出结果查看高度10m,20m,40m,78m,100m处的速度云图、速度矢量图和压力云图。

1. 模拟过程及使用软件介绍

1.1 建筑风环境模拟使用软件介绍

（1）前处理软件ANSYS ICEM CFD 15.0

ICEM是ANSYS CFD软件族中前处理软件之一。具有强大的网格划分功能，接口丰富，可接受绝大多数几何模型格式导入，例如AUTO CAD、SolidWorks、PRO/E等。

（2）求解软件ANSYS Fluent 15.0

占据CFD领域绝对领先地位的流体仿真软件。具有多种物理算法、物理模型。在医学、航天、机械工程等领域均应用广泛。

（3）后处理软件Tecplot 360

提供丰富的绘图格式，具备强大的CFD结果可视化功能，图形美观。

1.2 建筑风环境模拟过程

使用计算流体力学对建筑室外风场进行数值模拟一般包括以下四个步骤：

（1）几何模型的建立

（2）对几何模型进行合适的网格划分

（3）将划分网格后的模型导入Fluent，设置求解参数并求解

（4）结果的后处理（速度云图、速度矢量图、压力云图等）

1.2.1 几何模型的建立

在几何模型的建立部分，现阶段采用的是陈宸的模型，他是根据彰武校区附近区域的城规图建立CAD 三维模型（据陈宸描述来自他建筑学院的朋友提供）。对于后续的研究，比如其他的密集城市高层区域或更大的研究尺度，应寻找更高效易推广的方式，对于此种方式初步的探索及困难见附录I 。

除了建筑物本身的几何模型外，对于建筑室外风环境的模拟，应限定流场的范围，即建立计算域。计算域的尺寸会影响CFD 模拟的结果，设置的计算域要考虑风场不受堵塞效果的影响，同时为了求解的速度（及对计算机性能的要求），应尽可能小以减小网格数目。 建筑的阻塞率由下式计算：

w d

=A A 建筑物最大迎风面积阻塞率流域横截面积 阻塞率大时，风路变狭会产生比实际模型大的风速。为防止这种现象，有必要将建筑物投影面积与计算区域断面面积的比例控制在5%以下[s]。同时，建筑物在计算域的摆放位置应距离出流面有较大的距离以保证流动能够充分发展。若出流位置太靠近建筑物，则流动可能还没有达到完全发展的状态，甚至可能还处在因建筑物阻挡而形成的尾流回流区中，见图

1.1，因此，摆放好建筑物在计算域中的位置是获得良好数值模拟结果的前提。

图1.1 建筑物尾部回流区示意

孙晓颖[s]对单体建筑物CFD 模拟时的计算域及模型摆放位置进行了研究，结果如图1.2所示，对于高层建筑和底层建筑，计算域的尺寸有所区别，见表1.1。

图1.2 建筑物在计算域中摆放的位置规定

表1.1 不同高度建筑物的计算域尺寸

上述计算域尺寸是针对单体建筑的，对于群体建筑应有所区别。根据Franke[F]等编撰的城市风环境模拟指南，城市建筑群的计算域应按图1.3选取。

图1.3 计算域尺寸及位置示意图

几何模型取彰武6号楼为中心的直径500m的区域，该尺度介于单体建筑和城市群建筑之间，参照其他学者[z]关于小区尺度的CFD模拟，确定的计算域尺寸如图2.4所示（红色圆点表示区域中心，彰武6号楼西南侧角点），区域内最高的建筑物为彰武6号楼，高度为78.8m，入口边界距区域中心点取500m,出口边界距区域中心取1200m,两侧边界距区域中心取750m,计算域的高度取240m。建筑的三维几何模型见图1.5（红色箭头所示为彰武6号楼）.

图1.4 计算域尺寸示意

图1.5 彰武校区3维几何模型示意

1.2.2 网格的划分

将cad 模型输出为iges 格式，导入到ANSYS ICEM CFD 中，划分网格并初步设置边界条件（需要在Fluent 中重新设定）。由于流场在建筑壁面处收到建筑物阻挡，流动趋于复杂，所以在建筑壁面处网格细分。在远离建筑区域的部分，最大网格尺寸允许达到10m,建筑表面最大网格允许达到5m ，平均网格尺寸为2m 。划分后的网格见图

1.6.

出口边界

图1.6 彰武6号楼CFD模拟有限元模型

1.2.3 求解参数设置

将ICEM划分好网格的文件输出为msh文件，导入Fluent，进行求解参数的设置。主要参数包括求解基的选择，湍流模型的选择，边界条件的确定，残差控制设置等。

（1）求解基的选择

Fluent提供两种求解基，即Pressure-Based和Density-Based求解器,如图1.7所示。其中Pressure-Based是针对低速、不可压缩流开发的，Density-Based是针对高速、可压缩流开发的。

图1.7 Fluent求解器

风是由于空气受热不均匀，密度改变引起的流动。空气理论上是可压缩流体，但是在常温常压下气体做低速流动时（V<=100m/s），气体的密度相对变化小于5%，可按不可压缩流体处理（Boussinesq假设）。不可压缩流体的连续方程如下所示