10-FloVENT建筑室外风环境解决方案(分享)

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FloVENT建筑室外风环境解决方案
实施单位：上海海基盛元信息科技有限公司
日期：2013年04月20日
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目录
1 建筑室外风环境CFD需求分析 (1)
1.1 建筑室外风环境问题 (1)
1.2建筑风环境CFD需求分析 (2)
2 FloVENT简介 (2)
2.1 FloVENT技术特点 (3)
2.1.1 智能建模 (3)
2.1.2与CAD紧密集成 (3)
2.1.3自动优化 (3)
2.1.4使用强大的正交结构网格最小化求解时间 (3)
2.1.5优秀的求解器 (3)
2.2 分析能力 (4)
2.3 主要模块 (4)
3 应用案例 (4)
3.1兰斯Tower CB 31城市景观模拟 (4)
3.2俄国极寒环境下的酒店的设计 (5)
3.3足球场空气动力学模拟 (5)
3.4 火车站外部空气流动 (6)
4典型用户 (8)
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料1 建筑室外风环境CFD 需求分析
建筑环境中的CFD 主要可以分为：建筑室外风、热环境模拟（建筑周边的空气流动及温度分布和建筑表面的风压系数）和建筑内热环境模拟。

本方案主要讨论建筑室外风环境问题。

1.1 建筑室外风环境问题
随着国民生活水平不断提高，对于各项生活质量的要求也随之增加。

而由于在目前城市中多数人居住在高层建筑之中，对于由于风的因素引起的高层建筑室外的环境问题也日益引起重视。

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、建筑设计等领域起着很大影响。

随着科技进步和建筑业的发展, 高层和超高层建筑数量日益增多，大城市的建筑密度也越来越大,由此产生的风环境问题 (再生风环境或二次风环境)无法令人忽视。

高层建筑串列布置是规划方案中常用的方式之一，如街道两旁相峙而立的大厦、高层住宅小区多幢相对而立的高层建筑等。

相邻建筑周围的风环境与近地风状况、建筑高度、建筑物之间的相对位置等多种因素有关。

若在规划和设计中忽略了风环境问题，在一般的气候条件下，它们将直接影响着城市环境的小气候和环境给予人们的舒适感; 一旦遇到大风，这种影响往往会形成所谓“城市风害”，影响到建筑物本身的某些使用功能和行人、行车安全等方面的问题。

中国高层住宅楼近几年来发展迅速，人们开始注意住宅楼风环境对生活品质的影响。

目前的高层住宅楼设计除风载外，一般都不考虑风的空气动力学特性对建筑物环境的影响。

实际上，在一定风速下，气流与住宅楼相互作用后，会产生流动的分离、涡的脱落和振荡，对邻近区域的风环境带来负面影响。

如果两幢建筑物间距比较小，则两幢建筑中之间的区域风速加大，出现局部强风，也就是所谓的“巷道风效应”，加上建筑物的阻滞，形成涡旋和强烈变化的升降气流等复杂的空气流动现象。

在大风天气，这种效应会加强风的作用，强大的乱流、涡旋再加上变化莫测的升降气流形成了街道风暴，殃及行人。

不仅群体建筑会形成这种不良的区域性风气候，在单独的高层建筑附近往往也出现不利的风环境，也就是所谓的高层建筑的“局部风速加速效应”。

研究表明，高层建筑趋于将高空的高速气流引至地面，特别在建筑转角处，流动加速，并在建筑前方形成停驻的漩涡，将恶化建筑周围行人高度的风环境，会造成人员行走困难，极端情况下甚至会造成人员伤害。

由于城市的不断发展，街区、建筑物群落的结构和能源消耗和利用、绿
化等各种因素使得使用数学模型模拟分析城市区域大气污染物输送与扩散遇到
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料极大的挑战，并且随着当前城市建筑物的分布密度不断增加，当自然风流经时因建筑间的气动干扰，异常复杂的流态使得风速和风压都难以人为预测。

在群体建筑的风场中，由于建筑的体型或布局不当，很可能出现不良的风环境，使行人感觉不适的同时，也可能影响建筑间的自然通风及污染物的扩散等，因而需要预测风环境来优化群体建筑的布局，进行科学的规划。

1.2建筑风环境CFD 需求分析
建筑室外周围风环境特性研究方法有三种，分别是现场观测法，风洞试验的方法和计算机模拟的方法。

而在方案设计阶段预测建筑室外风环境的方法有两种，分别是风洞试验法和计算机模拟法。

现场观测法主要应用于既有建筑，这种方法操作简单可行，比较充分的把握现状，可以简单便捷的收集第一手的资料。

但是倘若在较大范围内精确观测建筑周围风环境，或是要积累长期的测量资料就有一定的困难；风洞试验的方法多种多样，它是将研究对象模型化，但是这种试验的依赖性较强。

计算机模拟的方法应用于建筑室外风环境的模拟与预测，目前，国内外都在此方面进行着大量的研究与实践。

相比之下，数值模拟能够预测风洞试验所不能解决的一些问题，如数值模拟可以预测建筑小区内空气各点的参数值。

图1 城市建筑室外空气流动
2 FloVENT 简介
FloVENT 作为一款专业的建筑及HV AC 系统CFD 仿真软件比通用CFD 软件（FLUENT 、CFX 、Star CCM+等）在建筑及HV AC 领域的CFD 分析方面具有无以伦比的优势，主要体现在建模、网格划分、参数化分析以及HV AC 专业分析能力等方面。

而FloVENT 和 FLUENT Airpak 以及Phoenics FLAIR 等专用建
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料筑及HV AC 分析模块相比，其优势主要体现在建筑模型库、与CAD 软件的接口、参数化分析以及HV AC 专业分析能力等方面。

2.1 FloVENT 技术特点
2.1.1 智能建模
FloVENT 拥有功能最完善、技术最先进的气流模拟设计建模环境。

FloVENT 提供的SmartParts（智能建模宏）能快速创建大量模型，从散流器、热交换机、格栅、CRAC 单元到机箱。

SmartParts 建模技术经Mentor Graphics 公司开发有20多年，简化建模，最大限度地缩短求解时间和提高求解精度。

2.1.2与CAD 紧密集成
FloVENT 提供业界最佳的CAD 软件接口。

Pro/ENGINEER 、Autodesk Inventor 、SolidWorks 和其他CAD 软件的原始模型，以及DXF 、IGS 、STL 、SAT 、STEP 等标准格式。

格式文件都能导入FloVENT 。

与其他CAD 造型和分析共用的模块不一样，FloVENT 自动准备分析模型，提高工作效率和分析精度。

2.1.3自动优化
基于SmartPart 建模技术和正交网格技术使实验设计法能应用到FloVENT 的模型上。

实验设计法是一种结构方法，决定设计参数（扩散器流速、喷口位置等）和结果（舒适度指标、污染清除率）之间的关系，FloVENT 的实验设计法通过对原始模型设置和求解多个变量，有效探索大量设计空间。

它提供在设计参数中修该气流灵敏度的关键信息，同时将需要仿真的设计数目减到最少，这些关键信息还作为响应面优化法以及序贯优化法的基础信息。

2.1.4使用强大的正交结构网格最小化求解时间
FloVENT 使用正交结构网格-最稳定和高效的数值网格类型。

局部网格技术提供细化网格功能，将求解时间缩到最短，避免网格数量过多无法分析。

FloVENT 是以直角坐标系统建立模型，网格的产生是随着几何外型的建立而自动产生，并型建立完成之后，迅速安排网格进行求解。

而且并不会因为直角坐标网格的关系，而影响结果的准确。

2.1.5优秀的求解器
20多年来，FloVENT 求解器专门处理供暖、通风和空调(HVAC)应用。

求解器基于正交网格系统，提供可能的最准确的结果，每单元网格求解速度最快。

通过“局部网格”技术，随着组建几何外型的改变或组件位置的变动而自动变化网格的形状和位置。

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料2.2 分析能力
（1）各种建筑内外流场分析
（2）火灾、浓度扩散分析
（3）温度、浓度分析
（4）各种舒适性相关系数分析(ADPI 、PMV 、PPD …)
（5）通风效能分析(LACI 、LMA)
（6）污染物移除效能分析(LAQI 、CRE)
（7）传导、对流、辐射热效应分析
（8）太阳辐射效应分析
2.3 主要模块
FloVENT—核心流场及热分析模块：模型建立、网格生成、求解计算等功能；
Command Center—优化设计模块：进行目标驱动的自动优化设计，可以进行温度场、流场、重量及结构尺寸等方面的自动优化设计：包含DoE(实验设计法)、SO (自动循序优化法)、RSO(响应面法优化法)等先进优化方法；
　Visual Editor—先进的仿真结果动态可视化后处理模块：用于仿真结果的可视化输出，可以观察FloVENT 软件的模型、尺寸和参数以及各种分析结果（包括温度场、流场、压力场和舒适度参数、污染物浓度等的截面云图、等温/等压面、动态气体/液体粒子流等），对比各种设计方案结果、自动生成分析报告；
Parallel Solver—并行求解器模块：支持多CPU 或多核CPU 的FloVENT 软件求解器升级，在多CPU 或多核CPU 的电脑上可以显著提高FloVENT 软件计算速度，减少计算时间，提高分析效率；
FloMCADBridge —三维设计CAD （MCAD ）软件接口模块：用于三维CAD 的模型导入和导出，不但完全支持Pro/ENGINEER ，Solidworks ，Catia 等三维CAD 几何模型的直接调用并自动简化，还可以通过IGES 、SAT 、STEP 、STL 格式读入如Siemens-NX 、I-DEAS 和Inventor 等MCAD 建立的三维几何实体模型，可以大大减少对复杂几何模型的建模时间；
FloVIZ—独立的仿真结果动态后处理软件：免费提供，可以自由无限安装（无需licence ）可以实现Visual Editor 的所有功能。

3 应用案例
3.1兰斯Tower CB 31城市景观模拟
该办公大楼的HV AC 由Elioth 设计, Elioth 是法国顶尖的建筑服务公司。

他们采用FloVENT 模拟完整外部景观的城市风效应和风载荷：
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料（1）主要风向；
（2）典型季风风向；
通过仿真结果可知街道未出现严重的风峡谷效应，项目得以顺利实施。

图2 速度分布仿真结果
3.2俄国极寒环境下的酒店的设计
法国Elioth 为俄罗斯设计了一家双里面酒店，这家酒店地处欧洲北部深处的叶卡捷琳堡，需要应对极寒的天气。

FloVENT 的三维的CFD 模型帮助他们完成这个建筑的优化设计，一方面要抵抗这个区域的预期的风载，另一方面要保证最小化能量损失最小化。

图3 酒店3D 模型和分析结果 3.3足球场空气动力学模拟
Nice Football Stadium 是法国足球甲级联赛专用足球场。

Elioth 被聘请模拟32000个座位上方和周围的空气流动，FloVENT 软件用于足球场的环境研究，包括：
（1）各个方向的风载荷；
（2）观众舒适度；
（3）看台自然通风系统。

（4）足球场对城市景观的影响。

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料
图4 足球场周围的速度分布
3.4 火车站外部空气流动
这个案例是为法国国营铁路公司评估大空间中的暴露在城市外部的火车站的热环境和气流通风问题。

他们使用FloVENT 模拟火车站月台上的气流通风，考虑车站顶部双层玻璃的太阳辐射热量。

他们分析了乘客的舒适度、风效应和通风效果、冬天和夏天的热流问题和太阳辐射问题。

图5 火车站周围气流速度分布 3.5小区风环境模拟
这个案例是对小区风环境的CFD 模拟。

如题6所示，是这个小区的地形和建筑情况，这个小区由行政大楼、办公楼、实验室和停车场组成，考虑实验室的废气排放和停车场的汽车为其排放。

《绿色建筑评价标准》规定“根据当地的风玫瑰图，对风环境进行典型气象条件的模拟预测，优化规划设计方案。

达到：
（1）在建筑物周围行人区1.5m 处风速小于5m/s ；
（2）冬季保证建筑物前后压差不大于5Pa ；
（3）夏季保证75%以上的板式建筑前后保持2Pa 左右的压差，避免局部 出现旋涡和死角，从而保证室内有效的自然通风。

”
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元内部资料图7是小区周围的气流速度和压力分布。

可以看到，小区气流速度在3.37m/s 以内，未产生严重的街道风峡谷现象，满足《绿色建筑评价标准》；建筑前后压差未控制在《绿色建筑评价标准》规定范围内，在建筑后部部分区域出现漩涡。

图8汽车尾气浓度为0.01kg/kg 的区域。

通过污染物浓度分布可以研究小区的污染物移除效能从而进行优化设计。

图6 小区3D 仿真模型
图7 小区周围速度和压力分布
行政中心停车场
实验室
办公楼
办公楼
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资
料
图8 汽车尾气浓度为0.01kg/kg的区域
4典型用户
AMEC Design & Management - UK
BSRIA - UK
BT - UK
Buro Happold - UK
CSELT - Italy
Danish Building Research - Denmark
Dunham Associates - USA
Ericsson Components - Sweden
Ford Motor Company - USA
Freudenberg Nonwovens - Germany
ALSTOM Transport - France
Gilberts - UK
Healthy Buildings Int. - Australia
Huntair - USA
Telecom Italia - Italy
Zibell Wilner – Germany
Hurley Palmer Flatt - UK
IDC - USA
Intelligent Building - Germany
ITALTEL s.p.a. - Milan
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9 / 9 ITRI - Taiwan
Jacobs - France
Parsons Brinkerhoff- UK Krueger - USA
Lockheed Martin - USA M + W Pearce - UK Oscar Faber - UK Ove Arup - UK
SNCF - France
Sorane - Switzerland TPS Consult - UK Tanvec - UK。