建筑物风环境CFD模拟方法综述

迫切希望对 Ｃ Ｄ软件有个较全面的了解 ， Ｆ 本文将根据作者了解的情况从理论方法上做一综述［ ７ １］ －。
１ 风 流 动特 性
Ｉ １ 大气 边 界层 ．
风吹过地面时 ， 受到地面上的各种粗糙元（ 森林 、 山峰、 建筑物等） 产生的摩擦阻力作用而使得风速减 小， 这一层受地球表面摩擦阻力影响的大气层称为大气边界层 （ 图 １ 如 所示） 。大气边界层的厚度依风力、 地形粗糙度及维度而定。大气边界层 内的风速随高
（） ４ （） ５ （） ６
＋
ａｚ
：
＋ ａｘ ＋ ａ ＋ ｘ
７ ３
《 建筑结构荷载规范） Ｇ Ｓ０９ ２ｏ） （ Ｂ ００ — ０ １将地貌按地 面粗糙度分为 Ａ、 Ｃ Ｄ 四类。这 四类地貌的地面粗 、 、
糙度指数 口和梯度风高度 取值如表 １ 所示 。
表 １ 地 貌地 面粗 糙度
１ ３ 对数 风 剖面 ．
对数风剖面是平均风剖面的另一种重要形式。由 Ａ Ｃ． ． 冈津提出近地面的下部摩擦层 比较负荷对数
式中，。 为标准参考高度和标准参考高度处的平均风速， ｚ、 。 我国标准高度取为 １ｍ ｚ ｖ ０ ， 、 为任一高度和任
一
高度处的平均风速； 口为地面粗糙度指数 ， 地形越粗糙 ， 地表为气流的阻滞作用越强 ， ａ也越大。我国
收稿 日期 ＂０ ８ ２ ５ 修回 日期 １０９— ２ ６ ． ０ —１ —１ ； ２ ２０ ０ —１
＋
ａ ｘ
＋
ａｔ
＋ ａ ｘ
＋
一 ‘ 。 一叠 ’ 。 。 ＋ 鲁＋ｚ ａ 。ａ 。 一 。 ‘ 。 一 ｙ ‘ 誓＋ ＋ 。 ＋ ａｚ ＝至 鲁＋ ＋ｚ 。 一 。 ＋ ａ一
＋ ＝ 一ａ ＋ ｘ ＋
ｄ ＋ ’＋ ｄ ＝０ ％ ， ｄ （） ’ ３
动量守恒定律数学表达式是运动方程 ， 还称为 Ｎ ｖ ｒ Ｓ ｋｓ ａｉ — ｔ ｅ 方程。通过对流动空间中流体微元的受 ｅ ｏ 力情况和运动情况的分析 ， 可导出 ， ， 三个方程运动方程的方程式 ： Ｙｚ
ａ’ ￡ 。 ａ ＋ ｔ 。
计算流体力学是 ２ 世纪 ６ 年代起伴随计算机技术迅速崛起 的学科。经过半个世 纪的迅猛发展 ， ０ ｏ 这 ｆ＠科己相当成熟。由于 Ｃ Ｄ软件是专业性很强的高科技产品， － ｌ Ｆ 很多用户对其性能特点和技术背景 了解
很少 ， Ｃ Ｄ软件 的认 识 也 比较 模糊 。随着 Ｃ Ｄ通 用 软件 的推广 ， 对 Ｆ Ｆ 其用 户 与潜在 用户 在迅速 增加 ， 不少人
称为平均风速梯度或风剖面。平均风沿高度变化规 律有两种表达形式 ， 即按实测结果推得 的指数风剖
面 和按边 界层 理论 得到 的对数 风剖 面 。
１２ 指 数风 剖面 ．
图 ｌ 大 气边 界 层
摩
Ｇ Ｈ ｌ ａ 在 wenku.baidu.com１ 年提出指数规律 ， ． ｅｍ ｎ ｌ ９６ 后来由 Ａ ＧＤ ｖ ｐｒ根据多次实测结果分析并提 出平均风沿高 ． ａ ｎｏ ｅ ｔ 度变化的规律可用指数函数来描述 ， 即： ｙ ｚ／ 。 Ｚ ｚ］ （）ｖ ＝（ａ 。 ／ （） １
度 而增大 ， 界层 顶 的风 速 称为 梯 度 风 速 。建筑 物 ｒ 边
自由大气
通常建在大气边界层 内， 以大气边界层 内的气体 所
流 动 问题 是建 筑设 计人员 最关 心 的问题 。不 同地面
∽
条件产生 的大气边界层特 征主要包括平均风速剖
边 界 层
厚
面、 湍流结构等方面。平均风速沿高度变化的规律
速 ； 是卡曼常数 ， ｋ 可取 ０４ ．；
一
些资料认为近地面的下部摩擦层对数律更符合风速实测资料 ， 对数律与指数律计算结果差别不大 ，
但指数律计算更简便 。
２ 复 杂体 型 建 筑物 数 值 模 拟 方 法综 述
２ １ 粘性 不可 压缩 流体 的控 制 方程 ．
流体运动所遵循 的规律是有三大守恒定律 ， 即质量守恒定律、 动量守恒定律、 能量守恒定律。这三大 定律对流体运动的数学描写就是流体动力学的基本控制方程组 。 质量守恒定律数学表达式即为连续方程。对于不可压缩的流体流动 ， 密度为常数 ， 其表达式如下 ：
基金项 目： 江苏省研究生培养创新工程项 目（Ｘ８－ ８ ）徐州师范大学研究生培养创新工程项 目（８ Ｌ０２ Ｃ ０Ｓ ０Ｒ ； ０ ０Ｙ －０） Ｘ
作者简介 ： 于风全 （ ７～ ） 山东临沂人 ， １２ ， ９ 硕士 ， ， 讲师 从事体育教育训 练学研究 。
第１ 期
于凤全 ： 建筑物风环境 Ｃ Ｄ 拟方法综述 Ｆ模
摘要 ： 结合通用 Ｃ Ｄ软件包的特点 ， Ｆ 介绍 了计算机流体力学 （ Ｆ ） ｃ Ｄ 的模拟 方法 ， 探讨了各类 公式 以及参 数设置的基本模式 ， 为建筑物环境风数值模拟总结出理论 依据。 关键词 ： 风环境 ；Ｆ 数值模拟 Ｃ Ｄ；
中图分类号 ：Ｕ ３ Ｔ ８４ 文献标识码 ： Ａ 文章 编号 ：６ １ ５ｏ ２ ｌ）４ ０２ ４ １７ —６９ （ｏＯ ｏ —０７ —０
第 ２卷 ０
第１ 期
茂名 学院 学报
Ｊ ＵＲ ＡＬ Ｏ Ｏ Ｏ Ｎ Ｆ ＭＡ Ｍ Ｇ Ｉ Ⅵ 强 Ｓ Ｉ ＮＩ ⅡＹ
Ｖ １２ Ｎｏ １ ｏ．Ｏ ． Ｆｂ２０ ｅ ．０ ９
２ ｌ ２月 ｏ０年
建 筑 物风 环 境 Ｃ Ｄ模 拟 方 法 综述 Ｆ
于凤 全
（ 徐州师范大学， 江苏徐州 ２ １ １） ２１６
规律 ， 其一般表达式如下：
（ ） ｛ｖ ｌ ） ｚ ＝ ＊ｌ １ （
（） ２
式 中，， 为地面粗糙长度 ， 是地面上湍流漩涡尺寸的量度 ， 大小 由经验确定 ， 一般略大于地 面有效障碍物
高度的 １ ０ Ｚ ／ ；ｔ １ 是有效高度；， 是摩擦速度或流动剪切速度 ； ） １＊ １ （ 是大气边界层 内 高度处 的平均风