專題 | 環(huán)境與氣象的CFD解決方案

2018-02-05 by:CAE仿真在線來源:互聯(lián)網

自然環(huán)境與人類的生存息息相關,而人類的為了生存以及發(fā)展,無時無刻需要對自然環(huán)境進行改造,以從自然界獲得生存發(fā)展所必須的物質資料以及把自然環(huán)境改造成適于人類生活的人居環(huán)境。當代,隨著科技的發(fā)展,大片大片城市群已聳立于地球之上,但是,隨著而來的是大量的環(huán)境問題,如大氣污染、霧霾、水資源的污染等,這些都將影響到人類環(huán)境的可持續(xù)發(fā)展。

為了更好的對自然環(huán)境進行改造,已獲得人類與自然和諧發(fā)展的環(huán)境,需要更多的手段來對自然環(huán)境及人居環(huán)境進行探索。而利用ANSYS CFD技術對大氣環(huán)境、建筑風環(huán)境、水環(huán)境等進行探索的手段,大有發(fā)展?jié)摿Α?

從大的方向,ANSYS CFD對環(huán)境及氣象方面的研究與探索可以從城市熱環(huán)境、建筑風環(huán)境、大氣污染物擴散三個方面進行。

1、城市熱環(huán)境

在城市的生態(tài)環(huán)境問題中,城市熱環(huán)境問題是極為重要的一個方面?，F(xiàn)代城市在快速發(fā)展過程中只注重經濟發(fā)展而不注重環(huán)境和地域特點的保護,現(xiàn)在的大都市普遍均一化,地域特色不足,尤其缺乏對地域氣候的適應性。在我國的夏熱冬冷地區(qū),夏季炎熱的氣候條件使不少城市難以達到宜居環(huán)境的標準。而目前的氣候調節(jié)方式以人工調節(jié)為主。這種方式需要耗費大量的能源,并且對環(huán)境造成污染。這個問題在當前我國能源緊張的環(huán)境下顯得尤為突出。更為重要的是,消耗能源所產生的熱量,使城市熱島效應更為強烈,增加環(huán)境、氣候變化的脆弱性。另一方面,城市規(guī)劃中往往不會將綠地、水體等自然資源對區(qū)域小氣候的調節(jié)作為規(guī)劃中的主要考慮因素。如何通過建立人與自然的和諧機制,充分利用城市現(xiàn)有自然資源和氣候條件,形成良好的人地關系,成為現(xiàn)今城市急待解決的問題。

因而現(xiàn)階段,利用ANSYS CFD仿真技術分析基于氣候、生態(tài)環(huán)境的城市熱環(huán)境狀況,并為城市設計和城市規(guī)劃服務,逐漸成為解決城市熱環(huán)境問題的一個重要手段。

利用CFD進行城市和城區(qū)的熱環(huán)境分析,主要利用風環(huán)境作為城市熱環(huán)境變化的主要流通手段。而且城市的熱島效應也是依靠通風狀況來進行緩解。因此城市熱環(huán)境的好壞與城市風環(huán)境息息相關,成為研究的重點。

某市夏季白天市區(qū)溫度分布(右)和晚上市區(qū)溫度分布(左)

某市水體水溫不同時的市區(qū)溫度分布

2、建筑風環(huán)境

利用ANSYS CFD對建筑物風環(huán)境的研究,首先可以為建筑設計師提供建筑物的風載荷,幫助設計師優(yōu)化建筑物的氣動外形,以及為設計建筑物,尤其是高大建筑物的阻力減震系統(tǒng)設計提供依據(jù)。

另外,建筑物風載的提供,還為大型建筑的表面裝飾工程以及建筑物的內部通風或者空調系統(tǒng)安置提供依據(jù)。而基于地域性氣候的建筑群風環(huán)境的研究,也可以為區(qū)域的城市規(guī)劃或建筑群的規(guī)劃布置提供依據(jù)。

目前已經趨于完全成熟的ANSYS CFD仿真技術目前也廣泛用于建筑物風環(huán)境的流場數(shù)值模擬,并取得了顯著的效果。當前,采用ANSYS CFD可以極大地縮減建筑工程的實驗成本和設計周期,從而縮減建筑物,特別是超級建筑工程的建設費用。而在不久的將來,在建筑物風環(huán)境的研究上,人們的研究手段將更多地轉變到以CFD仿真為主,實驗為輔的方式上來。

悉尼市政在規(guī)劃城市風環(huán)境的時候,使用ANSYS CFD工具對城市進行風環(huán)境預測,研究城市規(guī)劃對風場的影響,為城市規(guī)劃提供依據(jù)。

城市模型

西風下的風環(huán)境

南風下的風環(huán)境

3、大氣污染物擴散預測

隨著我國的城市化發(fā)展,城市的大氣污染問題相伴而生。城市規(guī)模的日益擴大,城市布局的日益復雜,大量高大的建筑物的出現(xiàn)對大氣流動造成顯著的影響,進而也影響到大氣中的污染物遷移擴散。目前我國用于評價城市大氣污染物遷移擴散的計算模型都是基于統(tǒng)計學理論的高斯模型。這類模型僅適用于污染源周邊建筑物較矮,高空有開敞的擴散空間的情況,而不是用于有高大建筑物的情況,更無法對局部微觀的環(huán)境污染物濃度進行評估。因而,利用ANSYS CFD流體分析工具對局部復雜的城市大氣環(huán)境污染物的遷移擴散進行預測將成為發(fā)展趨勢,并且大有應用前景。

城市污染物的來源通常來自于工業(yè)企業(yè)的生產過程、生活爐灶與采暖鍋爐的排放以及交通運輸?shù)?。利用ANSYS CFD可以準確對這些污染物的擴散進行預測,以指導城市規(guī)劃中如何避免污染災害的發(fā)生或減少災害的損失,并通過對污染物擴散的預測來幫助制定災害發(fā)生時候的逃生路線。