fluent城市建筑流體分析案例，氣流，風，和霧霾

2017-03-30 by:CAE仿真在線來源:互聯(lián)網(wǎng)

前幾日,人民網(wǎng)公眾號發(fā)表了一篇文章《三年后,你會慶幸沒有離開京津冀!》。文章中介紹了未來三年京津冀地區(qū)協(xié)同發(fā)展的“驚艷”規(guī)劃,內(nèi)容涉及更為快捷方便的城市交通,更為便民的醫(yī)療保障,更為安全的食品供應等等諸多方面。其中,關于環(huán)境問題的描述更為引人注目。

原文寫到:

“霧霾”將成為傳說,“閱兵藍”天天見

曾經(jīng),京津冀及周邊地區(qū)是霧霾“重災區(qū)”。3年后,京津冀地區(qū)PM2.5濃度要比2013年下降40%左右。這意味著京津冀地區(qū)在2020年便可初步擺脫霧霾的困擾,迎來“綠色時代”。屆時,北京建成5條寬度500米以上的一級通風廊道,多條寬度80米以上的二級通風廊道,形成通風廊道網(wǎng)絡系統(tǒng),以提升建成區(qū)整體空氣流通性。

羅馬不能一天建成,霧霾也不可能一下就吹走,愿望是美好的,道路是曲折的

通風廊道是什么?是將很多年前為了阻擋沙塵暴而建的三北防護林砍掉幾顆樹嗎?其實,沒這么簡單,因為不僅要砍樹,而且可能還要“拆樓”。

在《香港規(guī)劃標準與準則(HongKong Planning Standard andGuideline)》中的《第十一章:城市設計指引》于2006年首次在城市規(guī)劃中列明城市通風廊道(風道)的定義及功能:“通風廊應以大型空曠地帶連成,例如主要道路、相連的休憩用地、美化市容地帶、非建筑用地、建筑線后移地帶及低矮樓宇群;貫穿高樓大廈密集的城市結構。通風廊應沿盛行風的方向伸展;在可行的情況下,應保持或引導其他天然氣流,包括海洋、陸地和山谷的風,吹向已發(fā)展地區(qū)”。

城市通風廊道的構建是提升城市空氣流通能力、緩解城市熱島、改善人體舒適度、降低建筑物能耗的有效措施, 對于城市規(guī)劃中城市微氣候環(huán)境的改善有著重要的作用。而城市風道的設計不單單是簡單的在規(guī)劃圖上畫幾條線,而是需要在大量風環(huán)境定量計算的基礎上,結合城市設計功能布局制定出來的,只有進行了有效的模擬量化分析,才能最大限度的使通風廊道起到改善城市微環(huán)境的作用。因此,進行CFD仿真分析是通風廊道設計的必要前提。

CFD在城市規(guī)劃設計中的應用

建筑群外流場分析

建筑群中各建筑物間的氣流組織
夏季有利于通風,避免通風死角
冬季避免風速過高區(qū)域
有利于污染物的擴散

高層建筑要考慮梯度風的影響

《中國綠色建筑評價標準》對室外風環(huán)境有嚴格的要求:建筑物周圍人行區(qū)距地1.5m 高處,風速ν<5m/s,風速放大系數(shù)<2,嚴寒、寒冷地區(qū)冬季保證除迎風面之外的建筑物前后壓差不大于5Pa,且有利于夏季、過渡季自然通風,住區(qū)不出現(xiàn)漩渦和死角。

建筑群污染物擴散分析

污染源的危害評估
分析污染范圍,指導下游污染預防
便于及時準確指導疏散
指導不可避免污染源的合理的設計位置

不可避免的會發(fā)生一些污染事故,也可不避免的存在一些污染源,如何減少事故造成的損失和降低污染源的影響范圍,尤其是在預防方面如何做到,就需要使用CFD來模擬分析,尋找最優(yōu)的預防方案和合理的設計方案。

建筑風載預測

預測在各種氣象條件(不同室外風速)下建筑物,尤其是高大建筑物的風力載荷,用于考慮建筑的結構強度。

有助于優(yōu)化建筑的幾何外形

通過分析優(yōu)化建筑風載荷,通過適當降低懸挑部分的高度以研究幾何參數(shù)變化來減少平均風荷載的影響,數(shù)值模擬結果說明,適當降低懸挑高度可以顯著減小懸挑部分的平均風荷載。

沙塵擴散分析

通過運用CFD對風沙共同作用下建筑物周圍風場進行數(shù)值模擬,可以對建筑形態(tài)對風沙分布形態(tài)的影響進行分析,從而優(yōu)化建筑設計,改善建筑所在區(qū)域的空氣質(zhì)量。

其他問題

除上述問題外,還可以進行城市熱島效應,城市局部氣候條件等大范圍與建筑室外風環(huán)境相關的現(xiàn)象的分析。

行人風環(huán)境數(shù)值評估

大尺度的建筑物和密集的建筑群都會對其周邊的風環(huán)境造成較大的影響,并可能引起行人風環(huán)境問題。局地強風往往由于單個或多個建筑物的鈍體外形及布局引起,形成下沖風、狹谷風、穿堂風、角隅風以及尾流風等。常態(tài)風況時,會增加行人的不舒適感,影響建筑物的正常使用;極端風況時,將影響行人安全,均需予以避免。

行人風環(huán)境評估的閾值超越概率方法包括風不舒適度評估及風危險度評估兩部分,其中不舒適或危險“與否”通過風速閾值來界定,而不舒適與危險的“度”則由超越該閾值的概率大小來評判。

對于擬建建筑,基于這些數(shù)據(jù)資料評估行人風環(huán)境的基本程序為:

1) 統(tǒng)計分析常年觀測到的風速風向資料,得到各風向角度區(qū)間的風頻并確定其風速概率分布函數(shù)。

2) 通過(數(shù)值)風洞試驗獲取各風向下的風速比。

3) 基于風速比和場地類別,將該場地行人高度的閾值風速轉化為觀測點處的閾值風速。

4) 將轉換風速代入概率分布函數(shù),綜合各風向的風頻加權求和獲得此閾值風速的總發(fā)生概率。

CFD在建筑風環(huán)境模擬中的關鍵問題

1、迎風堵塞度

迎風堵截度=模型截面積/迎風面計算區(qū)域截面積
迎風堵截度應丌大于4%

2、計算區(qū)域長度

建筑后邊界到出口距離至少為6倍的計算回流區(qū)長度
入口到建筑邊界距離為建筑后距離的2/3

3、網(wǎng)格數(shù)

在建筑物高度方向應至少有10個節(jié)點,建筑物每個側邊應至少有10個網(wǎng)格。網(wǎng)格的最小尺寸應控制在建筑物的尺寸的1/10左右,并且在距離地面高度1.5~5m一下應有至少3個網(wǎng)格。

3、網(wǎng)格長寬比

目標建筑周邊的重點觀測區(qū)域網(wǎng)格長寬比小于1.5
其他區(qū)域長寬比對結果影響不大,網(wǎng)格長寬比小于25

4、壁面函數(shù)

壁面函數(shù)選擇Fully-rough(最好分別設定,地面采用Fullyrough,建筑表面采用General-log-law)

5、差分格式

差分格式采用quick格式

6、湍流模型

采用的湍流模型為RNG k-epsilon模型

7、邊界條件

入口邊界

根據(jù)AIJ(Architectural Institute of Japan)推薦,入口速度邊界條件為指數(shù)冪法則,U(z)=Us(z/zs)a

側邊與頂部邊界條件

側邊與頂部邊界條件一般采用對稱邊界或是自由出流邊界,采用對稱邊界條件可能會人為的給流體一個加速,會使流體速度變大;而采用自由出流邊界條件可能會改變出口流體流向。通過大量模擬與實驗證明,假設在確定計算域時滿足上述的計算區(qū)域條件,則使用對稱邊界條件與使用自由出流邊界條件對目標區(qū)域的影響是可以忽略的。

出口邊界條件

若出口邊界滿足上述計算域條件,則出口邊界應設置為自由出流邊界條件。

地面邊界條件

地面邊界條件可以采用光滑壁面對數(shù)率法則或有粗糙度的壁面對數(shù)率法則,但不管是采用哪種壁面,都應與類似的風洞實驗近地面速度分布有較好的一致性。

建筑物邊界條件

同地面邊界條件。

8、氣象參數(shù)

選取當?shù)囟尽⑾募竞瓦^渡季各季中月平均風速最大月的風向風速作為場地風環(huán)境典型氣象條件。

9、樹木處理

通常,研究大尺度的邊界層流動時,可通過粗糙度影響修正的壁面函數(shù)來模擬近地表環(huán)境,這種方法得到的是邊界層的整體流動特征,雖然在粘性亞層需要的網(wǎng)格數(shù)目較少,但不能模擬植被的詳細特征參數(shù),也無法得到植被遮蔽區(qū)的湍流結構信息。為了在不增加計算網(wǎng)格消耗的前提下,模擬植被覆蓋區(qū)復雜的流動特性,可釆用在流動輸運方程中附加源/匯項的方法。

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