浅谈CFD技术在建筑风环境模拟中的应用

浅谈CFD技术在建筑风环境模拟中的应用
摘要近年来，建筑的风环境越来越多地引起人们的重视。

风是构成环境，尤其是室外环境的重要因素之一，风和城市环境、建筑环境有着密不可分的关系，并对城市规划、建筑设计和结构设计等领域起着很大的影响。

然而人们对风环境的掌握十分困难，传统的模拟手段费时、费力，且结果收集存在误差。

近些年来，CFD技术越来越多的被各行业的技术人员用来作数字化模拟的手段，其不可替代的优势必将使建筑模拟技术实现新的飞跃。

关键词：建筑风环境CFD技术
Abstract
In recent years, more and more people pay attention to building wind environment. Wind is one of the important factors constituting the outdoor environment, wind and the urban environment, the built environment has a close relationship, and urban planning, architectural design and structural design field plays a big impact. However, it is very difficult to master the wind environment, The traditional analog means consuming and laborious. In recent years, more and more of the technical staff of the various industries used CFD technology as a means of digitized analog, its irreplaceable advantages will make the building simulation technology to achieve a new leap.
Keywords: Building wind environmentCFD technology
0.引言
人、自然、建筑、城市一直是紧密相关的概念，而风与他们都有关系。

近年来，“建筑的风环境”已经和“热环境”、“声环境”、“光环境”一样，越来越多地引起人们的重视。

风是构成环境，尤其是室外环境的重要因素之一，风和城市环境、建筑环境有着密不可分的关系，并对城市规划、建筑设计和结构设计等领域起着很大的影响。

在城市中，风环境的特性非常复杂，它不仅依赖于建筑本身的外形、尺寸和某些建筑物的特征（如开口、通道、架空等），而且依赖于周围建筑物的相对位置、外形及四周地形的粗糙程度。

随着建筑物的增高、布局的密集，建筑物对气流的影响越来越难于掌握。

例如高层建筑狭道内过高的风速、过急的涡流将对行人造成不舒适，甚至带来危险；不当的建筑布局或体型易使气流在建筑群之间形
成“涡流死区”，不利空气的流动及废气、热气的排散。

因此，在建筑设计阶段就对建筑风环境作出预测和评价，以指导、优化建筑设计已显得十分必要。

而目前人们对建筑的风环境大多停留在感性认识阶段。

我国地域辽阔，各地区间气候差异显著，对建筑风环境的要求也大不相同，怎样的建筑风环境适应何种气候类型，需要我们做进一步的细致研究。

1.CFD介绍
目前，建筑风环境研究的主要手段是边界层风洞试验，当风特性的精度对建筑结构至关重要时，风洞试验已成为必要手段。

随着计算机技术的发展，计算流体力学(CFD)已经在越来越多的领域被用于学术研究和工业实践。

与风洞试验相比，数值模拟技术具有省时及省费用的明显优势，过去的几十年中，一些研究者对单体建筑的绕流进行了数值模拟。

他们的研究成果表明，采用合适的数值方法，一些复杂的流动现象是能够较准确地被预测到的。

图1为对同一建筑模型分别做风洞模拟和数字模拟。

图1对同一建筑模型分别做风洞和数字模拟
CFD 技术是伴随着计算机技术、数值计算技术的发展而发展的。

CFD相当于“虚拟”地在计算机做实验，用以模拟仿真实际的流体流动情况。

而其基本原理则是数值求解控制流体流动的微分方程，得出流体流动的流场在连续区域上的离散分布，从而近似模拟流体流动情况。

可以认为CFD是现代模拟仿真技术的一种。

CFD具有成本低、周期短、速度快、资料完备且可模拟各种不同的工况等独特的优点，故备受青睐。

目前，CFD技术在国际上尤其是在美国等发达国家得到了广泛的应用。

常用的风环境模拟的软件都是基于计算流体动力学（CFD）原理，使用FLUENT、PHOENICS等软件系统为平台，并进行专项开发的计算软件来完成。

如基于FLUENT开发的气流模拟软件Airpak，使用它可以方便而准确地建立通风系统的气流、热传递、污染物迁移以及热舒适性的计算模型，可方便地进行多方案的比较模拟，并根据模拟结果寻找出最佳的设计方案。

Fluent公司是享誉全球的CFD软件供应商和技术服务商。

公司总部设在美国新汉普郡州(NewHampshire)的利巴嫩(Lebanon)，下属机构遍及全球。

自FLUENT 软件面世以来, 以其丰富的物理模型、先进的数值方法及技术人员高质量的技术支持和服务, FLUENT 软件很快成为CFD市场的领先者。

1988年Fluent 公司正式成立。

Fluent公司的销售及技术服务网络遍及世界各地。

公司的客户涉及航空航天、旋转机械、航海、石油化工、汽车、能源、计算机/ 电子、材料、冶金、生物、医药等领域。

Fluent公司与许多具有领先地位的硬件和软件厂商保
持着密切的合作伙伴关系。

这些合作关系可以保证Fluent软件及时地应用最新的研究成果。

Fluent公司在其发展历程中，始终领导着商用CFD软件的发展方向，不断推出面向客户工程需求的软件工具。

其产品作为世界公认的CAE工业标准，获得了包括ISO9001和Ticket 等诸多权威质量认证。

除了上述软件外，进行风环境模拟的软件还有：英国AEA Technology公司的CFX软件、Computational Dynamics Ltd.公司的Star-CD软件等等。

运用CFD （流体动力学）方法还可以模拟比较街区建筑物表面不同附着物如绿化种植，对相关物理环境要素的影响。

如对环境风向、风速、相对湿度、平均辐射温度（MRT）等的空间分布进行数值模拟。

由模拟结果可以得出，不同的绿化方式会明显的影响街区内的风流分布。

虽然建筑物表面绿化可以降低建筑外表面、室外空气和平均辐射的温度等有利影响，但同时也会产生降低室外风速、增加空气相对湿度等不利影响，而这些因素综合形成的环境舒适度定量指标是建筑师的一般想象所无法得出的。

2.应用原理
CFD模拟大体包含三个主要环节：建立数学物理模型、数值算法求解、结果的可视图像化。

（1）建立数学物理模型
建立数学物理模型是对所研究的流动问题进行数学描述。

各种CFD通用软件的数学模型的组成是以纳维——斯托克斯方程组与各种湍流模型为主体，再加上多相流模型、燃烧与化学反应流模型、自由面模型以及非牛顿流体模型等。

大多数附加的模型是在主体方程组上补充一些附加源项、附加输送方程与关系式。

（2）数值算法求解
描述流动的各微分方程相互耦合，具有很强的非线性特征，目前只能利用数值方法，例如有限差分法、有限元法、边界元法以及有限分析法等方法求解，其中以有限元法和有限差分法为主。

经过比较发现对于边界形状较规则的研究区域如矩形区域，二者模拟效果相同，但有限差分法的计算较简洁；而对于边界形状较复杂的区域，有限元法模拟效果更好。

目前大多数的商用CFD软件都采用的是有限元法。

（3）计算结果的可视化
上述代数方程求解后的结果是离散后的各网格节点上的数值，这样的结果不直观，难以为一般工程人员或其他相关人员所理解。

因此将求解结果的速度场、温度场或浓度场等表示出来就成了CFD技术应用的必要组成部分。

通过计算机图形学等技术，就可以将我们所求解的速度场和温度场等形象直观地表示出来，
甚至便于非专业人员理解，如图2。

如今，CFD的后处理不仅能显示静态的速度、温度场图片，而且能显示流场的流线和迹线动画，非常形象生动。

图2可视化的风速场图像
3.实例
2004年, 哈尔滨工业大学秦伟基于Fluent6.0平台, 通过20多个钝体绕流算例计算结果与相关的试验结果进行对比，以工程上关心的风荷载宏观量为考察对象，探讨Fluent6.0用于结构风荷载统计平均量预测的可靠性。

2006年孙晓颖、武岳等以大跨度平屋面为例，采用CFD数值模拟技术对屋盖表面的风压分布进行了数值模拟。

采用了雷诺应力湍流模型(RSM)和SIMPLE压力校正算法，并将计算结果与风洞试验结果进行了比较分析，两者吻合较好。

2007年深圳建筑科学研究院刘俊跃利用CFD对某小区的自然通风进行模拟，与风洞试验结果互相印证。

4.结论
CFD技术的飞速发展为建筑风环境的研究手段带来了巨大的变革，CFD对流场平均特性的计算结果已经达到实用化程度，建筑风工程领域存在许多可以用CFD和试验相结合进行研究的课题。

CFD的发展和应用程度与计算机技术密切相关。

由此我们可以期待未来计算机的发展必将为CFD在建筑工程领域的应用带来一个新纪元。

参考文献
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