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1、建筑环境CFD模拟的问题分析 李晓锋 清华大学建筑学院 2011 03 WWW THUBEE COM CFD简介 2 什么是CFD 计算流体动力学 CFD Computational Fluid Dynamics 在计算机上离散求解流体流动遵循的流体动力学方程组 幵将结 果用计算机图形学技术形象直观地表示出来 流体动力学 数值计算 计算机图形学技术的综合 WWW THUBEE COM 为何需要CFD模拟 模型实验 模型实验 优点 可靠 直观优点 可靠 直观 缺点 周期长 价格昂贵缺点 周期长 价格昂贵 CFD模拟 模拟 优点 周期短 成本低 资料完备优点 周期短 成本低 资料完备 缺点 技术性
2、强 不确定缺点 技术性强 不确定 CFD简介 3 WWW THUBEE COM 建筑周边的空气流动及温度分布 建筑表面的风压系数 建筑内部的空气流动及温度分布 室外 风 热环境模拟 室内热环境模拟 CFD简介 建筑环境中的CFD 4 WWW THUBEE COM 室外风环境模拟 生态住宅评估守则 20032003版 绿色建筑评价标准 GB2006GB2006 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
3、 出现旋涡和死角 从而保证室内有效的自然通风 室外风环境的评价和优化设计的具体要求 5 冲刷冲刷 边角增强效应边角增强效应 穿越穿越 前低建筑对后高前低建筑对后高 建筑的影响建筑的影响 巷道风的加强巷道风的加强 上部建筑对下部建筑上部建筑对下部建筑 的影响的影响 冲刷冲刷 边角增强效应边角增强效应 穿越穿越 前低建筑对后高前低建筑对后高 建筑的影响建筑的影响 巷道风的加强巷道风的加强 上部建筑对下部建筑上部建筑对下部建筑 的影响的影响 WWW THUBEE COM CFD模拟建筑周围空气流动被广泛采用 但目前却缺乏一个被普遍接 受的标准设定 AIJ和COST给出的推荐设定由于追求的精度高使得计
4、算量很大 在工 程应用中难以做到 针对这个问题 通过文献研究和数值实验验证 提出一套满足工程应 用精度要求的建议设定 CFD室外风环境模拟的设定 6 室外风环境模拟 WWW THUBEE COM CFD模拟参数设定要求CFD模拟室外风环境的设定要素 迎风堵塞度 计算区域长度 网格数量 网格长宽比 壁面函数 差分格式 室外风环境模拟 WWW THUBEE COM 迎风堵塞度的要求 迎风堵截度 模型截面积 迎风面计算区域截面积 要求 迎风堵截度应丌大于4 c cc wind casec堵截度 回流区长度 13b5 70 6b 24b3 72 4b 36b1 92 4b 410b0 82 4b 室外
5、风环境模拟 WWW THUBEE COM U1 Y 0 X b 2 0 0 5 1 1 5 2 2 5 3 3 5 4 2 10123456 Experiment 5b 10b 15b 20b 30b 丌同计算区域长度的影响 6bd z b u1 sv 建筑后边界到出口距离至少为建筑后边界到出口距离至少为6 6倍的计算回流区长度倍的计算回流区长度 入口到建筑边界距离为建筑后距离的入口到建筑边界距离为建筑后距离的2 32 3 cased 回流区长度 15b2 3b 210b2 4b 315b2 4b 420b2 4b 530b2 4b 室外风环境模拟 WWW THUBEE COM 丌同网格数量的
6、比较 建筑物划分网格建筑物划分网格1010以上再加密模拟以上再加密模拟 结果相差不多结果相差不多 U1 Y 0 X b 2 0 0 5 1 1 5 2 2 5 3 3 5 4 2 10123456 z b Experiment 网格3 网格5 网格10 网格20 网格30 z b SV Y 0 X b 2 0 0 5 1 1 5 2 2 5 3 3 5 4 0123456 EXPERIMENT 网格3 网格5 网格10 网格20 网格30 case建筑物划分网格 尾流区长度 131 2b 252 3b 3102 4b 4202 4b 5302 4b 室外风环境模拟 WWW THUBEE COM
7、 丌同网格长宽比的比较 目标建筑周边的重点观测区域网格 长宽比小于1 5 其他区域长宽比对结果影响丌大 网格长宽比小于25 case边界长宽比尾流区长度 11 52 4b 232 4b 3102 4b 4252 4b 5302 3b 室外风环境模拟 WWW THUBEE COM 丌同壁面函数的比较 布拉休斯公式 Blasius 布拉休斯公式通常仅在Re 105的范围内适用 对于低速管道流动 的预报具有较高的精确度 对数律 Log law 对数律假定湍流局部守恒 是求解湍流近壁速度分布的最一般方式 通用对数律 General log law 对于分离流 譬如突扩流动 由于存在着明显的相对于壁面的
8、湍 流能量扩散 需要采用通用对数律来计算非局部守恒的情况 完全粗糙对数律 Fully rough 主要用于计算空气边界层 如风吹过森林草地的传热传质情况等 室外风环境模拟 WWW THUBEE COM 丌同壁面函数的比较 壁面函数壁面函数Fully rough模拟结果和实模拟结果和实 验结果最接近验结果最接近 SV Y 0 X b 2 0 0 5 1 1 5 2 2 5 3 3 5 4 0123456 EXPERIMENT General log low Log low Blaius Fully rough U1 Y 0 X b 2 0 0 5 1 1 5 2 2 5 3 3 5 4 2 10
9、123456 Experiment General log low Log low Blaius Fully rough case壁面函数尾流区长度 1General log low2 4b 2Log low2 1b 3Blaius2 4b 4Fully rough2 1b 室外风环境模拟 WWW THUBEE COM 差分格式的比较差分格式的比较 计算区域差分格式回流区长度 HYBRID3 85b QUICK2 6b HYBRID4 1b QUICK2 6b HYBRID4b QUICK2 7b HYBRID3 85b QUICK2 5b 5h15h 4h12 3h10h 25h7h No
10、格式 守恒性 稳定性 准确性与经济性 1 中心差分 有 条件稳定 在不发生振荡的参数范围内 可以获得较准确的的结果 2 一阶迎风 有 绝对稳定 当 P 较大时假扩散较严重 虽然所得之解在物理上是 可以接受的 在过去几十年中得到广泛应用 如作为最 终结果的格式应采用较细密的网格 3 二阶迎风 有 绝对稳定 一般说准确性较一阶迎风高 但仍有一定假扩散作用 4 混合格式 有 绝对稳定 当 P 2 时情况同中心差分 当 P 2 时 情况与一 阶迎风差分相仿 假扩散较显著 5 乘方格式 指数格式 有 绝对稳定 对有非常数源项的场合 当 P 较高时有较大的误差 过去 20 余年中得到广泛的采用 6 QUI
11、CK 有 条件稳定 可以减少假扩散误差 在近年来已得到较普遍的应用 有可能发展成为这一时期内的主导格式 室外风环境模拟 WWW THUBEE COM 总结 工程普通要求设定的建议 迎风截面建筑堵截度 4 建筑到各边界距离要求 建筑到计算区域上边界距离大于两倍建筑高度 到出口距离至少为6倍的回流区长度 约等于建筑高度 到进口距离为到出口距离的2 3 建筑物网格划分 10 建筑周边区域网格长宽比丌大于1 5 在其他区域网格长宽 比对计算结果影响很小 壁面函数选择Fully rough 最好分别设定 地面采用Fully rough 建筑表面采用General log law 差分格式采用quick
12、室外风环境模拟 WWW THUBEE COM CFD模拟应用 小区风环境不自然通风分析 CFD模拟实例模拟实例1 建筑室外风环境模拟 建筑室外风环境模拟 CFD模拟实例模拟实例2 建筑表面风压模拟 建筑表面风压模拟 北京地区风玫瑰图 室外风环境模拟 WWW THUBEE COM 冬季风环境分析 判断 冬季行人高度处的风速丌大于国家标准觃定的5m s的限值 行人高度处速度分布矢量图 实例实例1 1 北京某建筑小区室外风环境模拟北京某建筑小区室外风环境模拟 室外风环境模拟 WWW THUBEE COM 冬季风环境分析 计算结果表明 冬季大部分建筑前后压差不超过计算结果表明 冬季大部分建筑前后压差不
13、超过5Pa5Pa 满足 满足 绿色建筑评价标准绿色建筑评价标准 不满足区域可以采用种植高大乔木等方式减小冬季渗风对采暖负荷的影响不满足区域可以采用种植高大乔木等方式减小冬季渗风对采暖负荷的影响 冬季不同高处压力分布云图 H 5mH 10m H 15mH 20m 室外风环境模拟 实例实例1 1 北京某建筑小区室外风环境模拟北京某建筑小区室外风环境模拟 WWW THUBEE COM 夏季风环境分析 可以看出 夏季行人高度处的风速丌大于国家标准觃定的5m s的限值 行人高度处速度分布矢量图 室外风环境模拟 实例实例1 1 北京某建筑小区室外风环境模拟北京某建筑小区室外风环境模拟 WWW THUBEE
14、 COM 夏季风环境分析 可以看出 夏季大部分建筑前后压差超过2Pa 有利于建筑自然通风 夏季不同高处压力分布云图 H 5mH 10m H 15mH 20m 室外风环境模拟 实例实例1 1 北京某建筑小区室外风环境模拟北京某建筑小区室外风环境模拟 WWW THUBEE COM 结论结论 小区风环境分析小区风环境分析 小区内行人高度处的风速不大于国家标准规定的小区内行人高度处的风速不大于国家标准规定的5m s5m s的限值 不会的限值 不会 出现再生风或者二次风风速过高而威胁到行人的安全或者导致行人出现再生风或者二次风风速过高而威胁到行人的安全或者导致行人 行走困难的情况 行走困难的情况 自然通
15、风效果分析自然通风效果分析 经模拟计算发现 大部分建筑冬季前后压差不超过经模拟计算发现 大部分建筑冬季前后压差不超过5Pa5Pa 能够避免 能够避免 冬季渗风 夏季建筑前后压差超过冬季渗风 夏季建筑前后压差超过2Pa2Pa 可促进夏季自然通风 可促进夏季自然通风 室外风环境模拟 实例实例1 1 北京某建筑小区室外风环境模拟北京某建筑小区室外风环境模拟 WWW THUBEE COM 实例2 建筑表面风压模拟 体育馆外风环境 体育馆外形 室外风环境模拟 WWW THUBEE COM 体育馆外风环境 体育馆CAD模型和梯度风 从CAD引入的模型 梯度风 28 0 0 10 y vv 室外风环境模拟
16、实例2 建筑表面风压模拟 WWW THUBEE COM 体育馆外风环境 模拟结果 PHOTON 速度矢量图 梯度风 实例2 建筑表面风压模拟 室外风环境模拟 WWW THUBEE COM 体育馆外风环境 模拟结果 压力等高图 实例2 建筑表面风压模拟 室外风环境模拟 WWW THUBEE COM 人工排热 日射 不透水地面 歩道 自由水面 屋上绿化 日射 通风 水蒸汽 水蒸汽 水蒸汽 水蒸汽 对流 日射 汚染物 人工排热 2 温度输运方程 显热 3 水蒸汽输送方程式 5 辐射热传导 长波 短波 4 汚染物 輸送方程式 汚染物 1 动量输运方程 6 人体模型热平衡式 7 壁面地面的 热传导方程式 8 地表显热潜热的平衡式 风 26 热环境模拟 WWW THUBEE COM 热环境模拟 对流 辐射 导热 传质过程的联合求解 空气流动 提供多种模型选择 考虑树木对流动的影响 辐射模拟 Gebhart and MenteCarlo method Direct exchange area DEA 地表和建筑表面热平衡模拟 反应系数法 李晓锋 植物热湿模型 水景热湿模型 耦合模拟方法 27 WWW
