fluent城市建筑流體分析案例，氣流，風(fēng)，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(yīng)等等諸多方面。其中,關(guān)于環(huán)境問題的描述更為引人注目。

原文寫到:

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“霧霾”將成為傳說,“閱兵藍(lán)”天天見

曾經(jīng),京津冀及周邊地區(qū)是霧霾“重災(zāi)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(fēng)廊道,多條寬度80米以上的二級通風(fēng)廊道,形成通風(fēng)廊道網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng),以提升建成區(qū)整體空氣流通性。

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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(fēng)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(hù)林砍掉幾顆樹嗎?其實(shí),沒這么簡單,因?yàn)椴粌H要砍樹,而且可能還要“拆樓”。

在《香港規(guī)劃標(biāo)準(zhǔn)與準(zhǔn)則(HongKong Planning Standard andGuideline)》中的《第十一章:城市設(shè)計指引》于2006年首次在城市規(guī)劃中列明城市通風(fēng)廊道(風(fēng)道)的定義及功能:“通風(fēng)廊應(yīng)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(jié)構(gòu)。通風(fēng)廊應(yīng)沿盛行風(fēng)的方向伸展;在可行的情況下,應(yīng)保持或引導(dǎo)其他天然氣流,包括海洋、陸地和山谷的風(fēng),吹向已發(fā)展地區(qū)”。

城市通風(fēng)廊道的構(gòu)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(fēng)道的設(shè)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(fēng)環(huán)境定量計算的基礎(chǔ)上,結(jié)合城市設(shè)計功能布局制定出來的,只有進(jìn)行了有效的模擬量化分析,才能最大限度的使通風(fēng)廊道起到改善城市微環(huán)境的作用。因此,進(jìn)行CFD仿真分析是通風(fēng)廊道設(shè)計的必要前提。

CFD在城市規(guī)劃設(shè)計中的應(yīng)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(fēng),避免通風(fēng)死角

• 冬季避免風(fēng)速過高區(qū)域

• 有利于污染物的擴(kuò)散

• 高層建筑要考慮梯度風(fēng)的影響

《中國綠色建筑評價標(biāo)準(zhǔn)》對室外風(fēng)環(huán)境有嚴(yán)格的要求:建筑物周圍人行區(qū)距地1.5m 高處,風(fēng)速ν<5m/s,風(fēng)速放大系數(shù)<2,嚴(yán)寒、寒冷地區(qū)冬季保證除迎風(fēng)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(fēng),住區(qū)不出現(xiàn)漩渦和死角。

建筑群污染物擴(kuò)散分析

• 污染源的危害評估

• 分析污染范圍,指導(dǎo)下游污染預(yù)防

• 便于及時準(zhǔn)確指導(dǎo)疏散

• 指導(dǎo)不可避免污染源的合理的設(shè)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(yù)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(yù)防方案和合理的設(shè)計方案。

建筑風(fēng)載預(yù)測

• 預(yù)測在各種氣象條件(不同室外風(fēng)速)下建筑物,尤其是高大建筑物的風(fēng)力載荷,用于考慮建筑的結(jié)構(gòu)強(qiáng)度。

• 有助于優(yōu)化建筑的幾何外形

通過分析優(yōu)化建筑風(fēng)載荷,通過適當(dāng)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(fēng)荷載的影響,數(shù)值模擬結(jié)果說明,適當(dāng)降低懸挑高度可以顯著減小懸挑部分的平均風(fēng)荷載。

沙塵擴(kuò)散分析

通過運(yùn)用CFD對風(fēng)沙共同作用下建筑物周圍風(fēng)場進(jìn)行數(shù)值模擬,可以對建筑形態(tài)對風(fēng)沙分布形態(tài)的影響進(jìn)行分析,從而優(yōu)化建筑設(shè)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(jìn)行城市熱島效應(yīng),城市局部氣候條件等大范圍與建筑室外風(fēng)環(huán)境相關(guān)的現(xiàn)象的分析。

行人風(fēng)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(fēng)環(huán)境造成較大的影響,并可能引起行人風(fēng)環(huán)境問題。局地強(qiáng)風(fēng)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(fēng)、狹谷風(fēng)、穿堂風(fēng)、角隅風(fēng)以及尾流風(fēng)等。常態(tài)風(fēng)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(fēng)況時,將影響行人安全,均需予以避免。

行人風(fēng)環(huán)境評估的閾值超越概率方法包括風(fēng)不舒適度評估及風(fēng)危險度評估兩部分,其中不舒適或危險“與否”通過風(fēng)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(fēng)環(huán)境的基本程序?yàn)?

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

2) 通過(數(shù)值)風(fēng)洞試驗(yàn)獲取各風(fēng)向下的風(fēng)速比。

3) 基于風(fēng)速比和場地類別,將該場地行人高度的閾值風(fēng)速轉(zhuǎn)化為觀測點(diǎn)處的閾值風(fēng)速。

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

CFD在建筑風(fēng)環(huán)境模擬中的關(guān)鍵問題

1、迎風(fēng)堵塞度

• 迎風(fēng)堵截度=模型截面積/迎風(fēng)面計算區(qū)域截面積

• 迎風(fēng)堵截度應(yīng)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(yīng)至少有10個節(jié)點(diǎn),建筑物每個側(cè)邊應(yīng)至少有10個網(wǎng)格。網(wǎng)格的最小尺寸應(yīng)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(yīng)有至少3個網(wǎng)格。

3、網(wǎng)格長寬比

• 目標(biāo)建筑周邊的重點(diǎn)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(jié)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(shè)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(cè)邊與頂部邊界條件

側(cè)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(shí)驗(yàn)證明,假設(shè)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(biāo)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(yīng)設(shè)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(yīng)與類似的風(fēng)洞實(shí)驗(yàn)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(dāng)?shù)囟?、夏季和過渡季各季中月平均風(fēng)速最大月的風(fēng)向風(fēng)速作為場地風(fēng)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(xì)特征參數(shù),也無法得到植被遮蔽區(qū)的湍流結(jié)構(gòu)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(fù)雜的流動特性,可釆用在流動輸運(yùn)方程中附加源/匯項的方法。

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