（市政工程专业论文）基于多孔介质模型的城市滨江大道风环境数值模拟研究.pdf

博士学能论文 摘要 摘要 目前，对于城市道路交通产生的环境问题，大都以整个城市 为宏观目标来考察，研究停留在污染源数量控制，减少出行，燃 料更新、机动车尾气治理对策研究等方面。2 0 0 2 年，建设部部 长汪光焘提出交通容燕帮环境容量应缝合考虑，但对予如何通过 建筑密度的调整、建筑菇差的改变、城索道路交通设施的建设等 来优化环境、控制污染的研究仍处在探索阶段，采用数值方法深 入、详细地分析城市滨江大道风环境，阑内外尚未见报姆。针对 这一现状，论文基于多孔介质模型对城市滨江大道风环境进行数 值模撼毳拜究，提出城市滨江大道可持续发晨援划鲶有关协调判 据、协调模鍪、定量籀檬等瑾论和方法。全文共五章，研究的主 要内容有： ( 1 ) 、针对市政道路两侧构筑物多，计算工作量大的特点， 本文以计算机模拟作为最佳化设计工舆，对市政道路两侧的众多 建筑、l 筵路进行参数优处理，扩展设计条件范嚣，将市政道路及 两簸建筑群考患残具有动量汇豹多藐分矮，并在蓝基礁一至对其进 行网格划分，并结合大气边界层风速对数廓线分布规律，开发了 外部接口程序，建立了城市滨江大道风环境的数值模拟模型。 ( 2 ) 、突破以往以污染源数量控制，燃料更新研究的局限性， 首次将城市滨漫大遂鼹环境视为与城市道路交通设施瀚建设、城 市布麓瀚调整、空气流确、辐隽于强度及建筑群、污染源等因素有 关的动态系统，对城市滨江大道风环境进行了系统定量分析。 ( 3 ) 、用本文建立的城市滨江大道风环境的数值模拟模型， 经过反复模拟计算，从模拟仿真结果中提炼出能充分反映不同流 速、来浚受度、建筑离发、建筑密度、污染物浓度、镶邋布局等 燕戋l 方褰中城市滨江大道风环境气流组织数谴模叛结染，建立了 一套越确的城市滨江大道风环境数值模拟基本计算方法。并使解 析结果：某城市滨江大道空气温度、风遵、有害气体浓度分布等 博十学位论文 摘要 更直观地展示给用户，利于非专业人士通过形象的图形和动画等 了解城市滨江大道风环境状况，为其进行决策提供明确的结论和 科学指导依据。从本文数值模拟得到的速度场、温度场、耗散率 分布、湍动能分布、浓度场来看： 随着来流速度的增加城市滨江大道污染物的浓度扩散得 到加强： 近地面汽车尾气在大气中的扩散速率在高风速下明显要 比低风速快； 当风速方向与街道方向一致时，即城市主干道与当地盛行 风向平行时，可提高道路汽车排放污染物的扩散能力，污染浓度 降低，但污染物在街道的下风向累积严重，不利于污染物的局部 扩散，造成局部地区的浓度值严重超标。当风速方向与街道方向 呈9 0 0 夹角的时候，污染物局部扩散得到明显改善，但是它对沿 着街道周围建筑群的影响范围变大，不易造成局部的浓度超标。 另外，在斜交风作用下，街道内的污染物浓度虽然是由平行风与 正交风共同作用的结果，却并不是简单的叠加。因此，在城市复 杂的地形及建筑物的影响下，汽车排放污染模式不能采用简单的 投影原理。 建筑群的高度对污染物浓度扩散影响显著，随潜建筑群高 度的增加，污染物浓度随着高度变化总体趋势减小。建筑群态度 在6 m l o m 变化时( 高度变化约6 7 ) ，浓度值变化不大，最 大约为8 。但是当建筑群高度从l o m 变化到2 0 m 时( 高度变 纯约1 0 0 ) ，浓度值变化褶对较大，最大约为2 4 。市区商层 建筑物对城市汽车排放污染物的扩散极其不利。因此，必须严格 控铡城市i 蓬路污繁物酶撵敖量，当污染有害耪浓度超穗大气环境 质量标准时，必须限制本地街道的车流密度这可能煎新形成环 境超标豹“软”瓶颈，这对予城市 i 筵路交通褒菇与管理是一个毒常 重要的问题。 筑密度对污染物浓度扩数影响也十分明疆，随饕建筑密度 增大，污染物浓度值增大。在高度y = 6 o m 时，建筑密度为6 0 与建筑密度为4 0 相比，浓度最大值 、赞霹蠢致遂爨嚣铡穆筑蘩多，计算_ i 穆量大煞特点，本文戳诗 筇机模拟作为最饿化设计的工具，对市政道路两侧的众多建筑、道路进行 参数化处理，扩矮设计祭终范围，将市政遂路及秘腰建筑瓣考虑成蒸鸯动 黧汇的多孔介质，并在此基础上对其进行网格划分，并结合大气边界层风 速对数廓线分布规律，开发了外部接口程序。建立了城市滚江大道腻环境 酌数值模授模型。 ( 2 ) 、用本文建立的城市滨江大道j x l 环境的数值模拟模型，经过反复 模拟计算，得到不同流速、不同来流角度、不同建筑群高度、不同建筑密 度、不同污染物浓度、不同街道布局等各规划方案中城市滨江大道风环境 气流组织模拟结果。分析表明：本文数值模拟得到的速度场、温度场、耗 散率分布、湍动能分布、浓度场结果符合一般物理规律，说明城市滨江大 道风环境的数值研究方法是正确的。 ( 3 ) 对本文建立的城市滨江大道风环境模型，在风洞中进行了测试， 进一步完善了理论分析和计算机模拟的结果。将流场的实验结果和数值模 拟结果进行了比较，比较结果表明：两者在速度场和耗散率场上吻合较为 一致，但是在湍动能场差别较大，分析认为这不会给整个数值模拟结果带 来多大影响，仍然在可接受的范围内。 本文创新之处在于突破以往的对于城市道路交通产生的环境问题仅 仅着眼于机动车尾气治理对策研究的局限性，将城市滨江大道风环境视为 与空气流动、辐射强度及建筑群、污染物浓度、道路等因素有关的动态系 统，扩展设计条件范围，将建筑群考虑成具有动量汇的多孔介质进行处理。 建立一种城市滨江大道风环境数值分析方法。这是一项开拓型的工作，为 定量地分析城市滨江大道风环境提供了新方法；为今后工程建设建筑高 度、建筑密度的政策控制提供设计依据：为选择合理的建筑、街道布局设 计提供可靠保证；为开发出一套“城市滨江大道风环境”设计软件包打下基 础。可以发展在本质上加深对城市滨江大道风环境变化客观规律的认识 提出和发展可应用于指导市政道路可持续发展规划的有关协调判据、协调 模型、定量指标等理论和方法，项目研究对我国国民经济和社会的可持续发 展将作出一定的贡献 1 2 博士学位论文第二章拎制方程与物理模型 2 1 湍流现象概述 第二章控制方程与物理模型 滴流蹩一种商度复杂的三维j 稳态、带旋转的不嫒则流动。在湍流中，流体的静 种物理参数如速度、压力、溢度等随时间与空间表现出随机变化鳓。从物理结构上流， 可姨窿滴溅番璇是有番耱不阕足发静满旋鼗台褥藏韵滚动，这些涎淀翡大小及旋转辕 黪方起分东是隧极戆。大足发熬溜旋主要蠢浚麓浆逸器袈磐繇决定，黎尺寸毒以与淡 场黪大，l 、姻 基羧，是弓| 趣羝频默动豹驭潮；小足囊戆瀑鼗主要是慧鞑矬耗款终罔，是 引起高频脉动的原因p ”。大尺度的涡旋破裂后形成较小尺度的涡旋，鞍小尺度的涡旋 破裂后形成更小尺度的涡旋。因而在充分发展的湍流区域，流体涡旋的尺寸可在植当 宽的范围随露续地变纯。犬r 度的涡旋不断的扶主流获褥能量，通过涡旋的相互侔用， 能量逐渐向小尺度涡旋传递。最后由于流体粘性耗散的作用，小尺度涡旋不断消失， 税械能裁转传为滚俸豹热髓。闫辩由予逑眷条佟敕 馨蠲、撬动及遮发梯度静作焉，薪 弱溺凌又不鞭产生，这麟构艘了滚流运动汹、4 母。蠹予淡俗凑不溺尺度瀵蕤熬莲积遮动 造残了瀵滚瓣令重要特意物理量麴辣秘。一觳认为，茏谂溃滚运动多么复杂，、嚣 稳i 薛的n - s 方程对于淤流的瞬融运动仍然是肖效般【3 6 1 。 2 3 , 雷诺冀李均横拟方法 2 2 1 香港辩筠方穰 藏本谍憨来浚，渤鹣鏊本控裁宠趣盎# 下【8 】： 连续蝗方程； 熹舰) = 0 ( 2 动蠢方稷： 丢) + 毒( 以叶) 一褰+ 鲁坪渊名， 眨z ， 式申，p 湖羰，p 为裁惬r 砖为递移暹的分量，蕊为测，两是翦切瘟力张量， 出下式定义： ；2 岛，s 艇岛 ( 2 3 ) 其中，掣为数性系数，& 为应变率张瀣，定义为： 博士学位论文 第二章控制方程与物理模型 s = 糖+ 刳 ( 2 4 ) 对于朦流来漉，上述方辗即构成了流动的控制方程，对于湍流来说通常采用褥诺 瓣均蚋方法。在露诺对均麴方法中，方程辱嘞瑾餐靛瓣嚣尊值分解为时间平均僚帮赫动 蕊之耪酗# 乒；萨+ 多 ( 2 s ) 上式中，西可以是邋度、压力、密度、自邕数或其它指定的流场中的场量，其时间平均 傻定义为慰够长时随l 闾隔r ( 相对于脉动邋动的时阏两蠢) 内的平均馥： 孬= 喜f 触 ( 2 - 6 ) 将( 2 5 ) 藏筏入溪辩n s 方程舭4 ( 2 1 ) ，( 2 0 ) 中， 麓，势路去时海篷鹣上标械嚣，褥至l 雷诺辩筠方程： 蠹( 膨扣。 按照( 2 6 ) 式鞭时间平 ( 2 7 ) 昙溉) + 杀( 班托) = 一差+ 鲁+ 生犁+ 麓小t a s e ： 对于其它毋变量作类似处理，可得： 昙硐+ 毒厩i ) 一杀卜誉一p 万； e 2 p ， 西可戳是漱度，也可以怒质量薄其它标蓬函数。 悫上述方稔瓣导基避程霹冤，线缝瑷在辩均翦麓的澎式僳持不变，而菲线性颈在 嚣雩均纯姓璎螽翼产璺三餐含稼动毽斡瓣攘壤。这些辫攘颈代表了菇j 子滚滚躲魂搿雩 怒应 力、热滚爨嶷甓的转移，蒸串一删赋) 穆势r e y r m l d 应力藏演浚应力。嚣诺应办凌豹 出现，导致了鬻诺平均方程不封闭。为了使之封闭，必须将雷诺应力项模型他，建立 脉动量与平均鼓之间的关系。 湍流模型的思想最早可以追溯到b o u s s i n e s q 于1 8 7 2 年提出的涡粘性假设，它建立 了雷诺应力与平均运动韵速度梯度之间的关系8 j ： 一一p u ，u ：= 鸬l 磬譬一嘲 泣l 。) + 蘑鸯黪零方程棱型秘双方程模型，获授大多数静一方程模型，箕瑗论依据都是 b o u s s i n e s q 假设。零方程模型【档1 也拣为代数模型，它按照t 数关系式搓述霍诺应力， 不附办b 偏微分方程。一方程模墼和双方程摸怼贝分别引入一个和嚣个偏微分方程，孬 附加其它的代数经验关系式。 博士学位论文 第二章控制方程与物理模型 显女善，对于工程孛广泛捷焉靛溱浚横鍪! 莛零方程模型、一方程模型窝致方程貘型 【4 7 】。由于这些模型明显都包含了经验性的假设，其使用范围受到相应的限制，求解 稽发也是困润题而异。逡今为止，还没肖那一种演流模垒髓够适用繇有类黧静闷麓。 所以在实际应用中，湍流模型选择应当慎重。一方面，对于锫种模型的每一局限性及 其求解能力，必须透彻了解；另一方面，对于所求解问题类型和物理现象，也要认识 渍楚；此终，数焦船眩的类型、求解的糙度要浓、现蛰的；鹄搬瓷澡和计雾枫时瀵蘧 也是需要认真考虑的重要因素。 2 2 2 标准k 一占横型 磊蓊，工程t 便筏最为广泛楚_ | 一s 耀方程模登。标准的老一s 双方程横型需簧求 解湍动能良朔耗散率的输运方程，并建立它们与湍流耪睦系数的关系： 鲁c 肚) + 毒( p ) = 毒 ( + 箦 考 + g 一班+ 瓯“ c ：， 鲁+ 每训= 毒陋刳外气妻t g 岷讣g 。p 知眨协 其中， 麒= p 吒一k ( 乏1 3 ) 为湍流涡粘性系数。g 魑由于遴度梯度引起的应力生成项： 瓴：一p u 百f u j ( 2 1 4 ) 经过模仡话，有： 暖= 弘s 2( 2 1 5 ) 其中， s = 厮峄糖+ 割 g 6 代表硅j 于浮升力引起的湍流动能产生项，被定义为： 盼熊鲁詈 ( 2 1 1 6 ) 其中强是淌流p r 删数，g ，是在f 方向的重力分量。 标准七一君模型中有5 个常数c k 、c 2 一、哎积c 。，通常采用l a t m d e r 积 s p a l d i n g 推荐的下列值f 嘲： 博十学位论文第二章控制方程与物理模型 c l 。2 1 4 4 ，c 2 ；2 1 9 2 ，c 。2 0 0 9 ，o k2 l 0 ，口；2 1 3 这些默认值是通过对水和空气的基础剪切流( 包括均匀剪切流和衰减等方向栅格 湍流) 实验得到的。这套常数已成功的应用于很多问题，如边界层型流动、管内流动、 自由剪切流动和有回流的流动问题。这种方法稳定、简单、经济，并在较大的范围内 具有足够的精度。但是它的缺点是在某些情况下如有回流和火曲率和强旋度的情况下 不能很好的预测湍流特性。鉴于此，人们又提出了不同的修正方法。 2 2 3 重整化( r n g ) 七一占模型 在模化的k 和方程( 2 1 1 ) 和( 2 1 2 ) 中包含有五个系数c l 。，g 。，c 一， 盯，对于标准k s 模型，这些系数均为嚣数，它们是从平衡湍流i 扛界层和各向同性 湍流的基准突验中褥劐的。r n gk 一暑穰耀是对标准韵k s 模型进行的一种改滋。2 0 t 雌e s 0 年代中期，y a k h o t 及o m t g 根据量子物理中的能谱分析及统计学中的相关分析， 采趱重整纯瓣理论，飘零震攘税了传统滚滚模鹜理论过多依赖予经验戆袁骛，维导 出了一种新的湍流模型，称为r n gk 一疗模型【钟】。y a k h o t 和o r s z a g 最初将重憋化群 思怒应用于演漉摸他褥到瓣是耱原始版本的r n gk s 模型。虽然关于涟滚的r n g 分析完全是藻于理论上的推导，并未借助任何的经验，但由此得至的某些常数与实验 结果却相当吻合，这墩从一个侧面反映出鼢晒k s 模型与传统的k 一占模型相比在 理论方瑟的严密性。遗憾匏是s m i t h 和r e y 蹦e s 农随后的研究中发现滚动能耗散率静 输运方程在最初的推导中存在错误。于是y a k h o t 和s m i t h 又熏新推导了该方程，并重 瓣 募了耗教产生顼争睦系数，褥妥了耱穆歪懿r n gk 一茁模鍪。屠寒，y a k h o t 等 采用一种双向展开( d o u b l ee x p a n s i o n ) 技术，导出了新版的r n gk s 模型，在高 r c 数区，这摹枣r n gk s 模型与标准k 一8 模型其蠢相同蟾形式，毽蹩其模型系数取 值不同，并农s 方程中增加了一个附加产生项，以熙好的适应具有大应变率的湍流流 动。已有的研黻面，新版孙gk - - e 模型对湍流自勺预测能力要明显优子其它龋种版 本，所以本文研究采麓的蔻薪敝r n gk 一占模墅。 自从r n gk 一占模型提出以来，一些学者将该模型分别用于二维后台阶分离流和 强麴率夸警瘫溱流分褰滚囊鹣数整端l 获簿了潢懑酶结栗。鬣努，n a k a m u r a 麓采用 r n g 代数湍流模型预测了边界朦中从层流向湍流的转捩；l i e n 等用后台阶流评价了包 括橛准k s 模型帮r n gk g 模型在内的不网溃浚摸型浆瞧旋；q 掩娃黯室内窆气滚 动的计算表明，r i n gk 一占模型略好于标准k 一占模型，但他没有分析为什么会出现这 样的结果。g a n 采用标准k s 模型和r n gk s 模型，对两个很高丽且充满空气的洞 穴中的渍浮升力自然x 孛流褥题避行了数鬣漠拟，将数值预测缩采与文献中豹实验数据 比皎发现二糟具有较好的一致性，与标准k 一模型相比，r n g 七一8 模型的预测结果 博士学位论文 第二二章拄翻方程与耪瑾接受 受好。最i 凌豹一些磷究氇显示了基于r n gk - 8 模蕉是一释蹲工程实际蠢辩学计算j 常有用的湍流模型。 对于r n gk - s 模型露砉，其演动戆更寒耧漱率s 的竣运方程为： 鲁( 肚) + 毒( 咖，) 2 毒l & 砌嚣j + g 一胆+ g + c z 加， 昙( 砂毒( 舢沪毒( 峨割岷妻( g 岷讣咖譬一疋州猢， 其中，g 。的含义与式( 2 1 4 ) 和( 2 1 5 ) 中相同。 从方程( 2 1 7 ) 和( 2 1 8 ) 来看，它在形式上与方程( 2 1 1 ) 和( 互1 2 ) 是相似的， 但是实际上它作了如下修正： 有效粘性系数w 的模化： 在r n gk s 模型对标准k 一占模型的修正之一是利用公式率定替代标准k s 模型中参数的实验率定。要点如下： 1 ) 在r n gk f i - 模型中，湍流涡旋粘性是通过微分方程得到，它是根据重整化 群理论通过理论推导得出： d 等j = 2 旷杀西 c ， 其中： 1 ，：垃。c v 1 0 0 遴遗对式( 2 。1 9 ) 避行积分，甏获褥渍流抟簸麓有效霉送数稠灞尺凄变纯关系静 较准确的描述，从而饿模型能够较好处理 氐雷诺数隧或近壁区。在高雷诺数时，对式 ( 2 1 9 ) 进彳亍积分可获得与标准七一嚣积方程模型致的结论：即“= c 。生，常数 q = o 0 8 4 5 ( 对于标准| i 一占，q = o 0 9 ) 。“ 2 ) 旋流修正： 若主流存在旋转融暴或有旋流时，湍流特性般会受到主流的影响。为了猩模型 中考虑这一影响，对湍流粘性系数作了如下修正： 秘锦小，g 匀 e 2 2 0 ) 其中，“。是没有麓流修正时的淌流粘性系数，它采用式( 2 1 9 ) 或者肛= g 。竺 进行诗辫，是常数，可根据旋度大小取值，q 为旋转特征数。 1 7 博+ 学位论文 第二章控制方科与物理模型 3 ) 计算反转有效p r a n d t l 数 反转有效p r a n d f l 数吼和口。是使用有r n g 理论分析推导出的下列公式计算： l 旦坐翌r 2 1l 竺挈掣”：堕 ( 2 2 1 ) l 口。一1 3 9 2 9 ll 口o + 2 3 9 2 9 l , u a r 其中= 1 0 ，在高雷诺数范围。玎 1 的情况，而当以 3 时，r o s s e l a n d 模型是节省资源又有效的选择。 d ，胀m 和d ( ) 模型在赛警个光学厚度范围走毒随用，但是这两秘模型都比较耗资 源。在以 3 0 6 0 时，平筠速度豹对数滢羹l 是聂确静，在f l u e n t 中，对数法翼l 在 y + 1 1 2 2 5 时可以使用。 在与墙壁临近的节点，网格情况为y + 程懑滚影嘲主譬传热的遗区，连潼渡区健蠲鼹数法瑙。 通常，热边界层的厚度与糖性鼷厚度不同，并且随流体的不同有变化。例如，高 p r a n d t l 数流体的热边界层厚度比其幼量层厚度小的雾，相反，对于低p r a n d t l 数流体 的热边界层厚度比其动甓层厚度要大的多。 f l u e n t 中使雳翁壁瑟洼刘，凝育如下豹形式： r ；坚! 二圣擘! 竺型： q b + 扣华啡( y u ) 阮h ( 州卅三尹华嘲啦删吲y 掳) 其中，p 是由j a y a t i l l e k e 给出的公式计算出的p 3 】 脚。：班十驰阿一叫 詹，一d e # 日 冗 1 流体导热系数 浚傣密度 流体比热 墙体热流量 糁近壁亟处努点的漫度 蘩面温度 弦5 5 ) ( 2 5 6 ) 羔主堂堡堇塞 。篓：垩篓垄! 查篓兰鎏鍪堡薹 p r 分子p r a n d t t 鼗融p k r ； p r 湍流粘性p r a n d t l 数( 壁面处为o 8 5 ) a 2 6 ( v a n d r i e s t 常数) 盯0 4 1 8 7 ( v o nk a r m a n 常数) e 9 7 9 3 ( 蹙面函数鬻数) u 。在y = 薪处的平均速度 在 嘲会孵法中，丢p p r ! 娑兰v ；和丢p 等c l 4 k 1 2 p r , u ；+ 陋一囊妙； 颂， z 巧 z 口 。 只有在计算可压缩流动中才需要在方程( 2 5 5 ) 中出现。 考虑到模拟流体的分子p r a n d t l 数 4 4 1 ，在方程( 2 5 5 ) q b 使用无量纲热边界层厚度y ； 作为y + 值在线性法则和对数法则的转折点。 使用温度壁面法则的过程如下。一旦流体的物理特性给定后，计算流体的分子 p r a n d t l 数。然后，根据流体的分子p r a n d t l 数，从线性和对数型线的交点计算出热边界 层厚度y ；，并保存。 在迭代过程中，在壁面的节点中，依赖于y 值，使用方程( 2 5 5 ) 线形或对数型 线计算壁面温度瓦或热流尊( 依赖于热边界层条件的类型) 。 在k 一占模型中，在包括壁面附近节点的整个区域内求解k 方程，壁面处k 方程的 边界条件是： 丝：o g n ( 2 5 7 ) 在壁面附近节点，动能产生项g 。，及其耗散率占，在k 方程中是源项，是基于 平衡假设计算的。在这种假设下，在壁面相邻控制体k 的产生项及其耗散率相等。 g t 詈钆碱t 砺w 眨s s ， s 是由以下公式计算： c ? 4 七了2 砂p ( 2 5 9 ) 在壁面节点附近，不解方程，而用方程( 2 5 9 ) 计算。 注意，对于求解变量( 包括平均速度、温度、k 平1 s ) 的边界条件都通过壁面函数 给定，因此，不用再考虑壁面边界条件。 上面所描述的标准壁面函数法在f l u e n t 中是默认值。标准壁面函数法对于有壁 面限制的流动计算的比较好。 标准的壁面函数法属丁：单层模型，它基本卜没有考虑弓壁面相临的控制容积中湍 媾士学位论文 第：章控蒂方释与物理模型 滚物理董酶变亿。事实上，流动经历了觚壁霞土的完全精一羧蓟旺盛漓流静交俄，因焉 分子粘性对控制容积中的湍流脉动动能必然会有影响。 对于壁嚣处理方法，f l u e n t 软传中还提供了孥乎_ 舞熬嚣丞数滚穰增强黪壁瑟楚 理方法。本文最终采用的是标准的壁面躏数法，主要基于以下两点考虑：对于本文 研究的物理模型来淡，它是属予近地砸大气边界鼷流动，建筑物和街道等均采用了数 值处理方法进行了处理，整体流动结拇上它与平板绕流十分相似，采用标准照面函数 法即可获得准确的结果非平衡壁磷函数法对于近壁面的第一排网格划分要求 歹* 1 2 5 ，增强静蘩疆楚理方法对于遥筵面懿第释瘸捂划分要求旷zl ，磷标准壁 面函数法对近壁面的第排网格划分要求广“1 2 5 2 0 0 4 0 0 。标准壁面函数法对近 壁嚣网接划分骥显要较其它嚣秘方法宽松，整体潮捂数量少。毽此，采瑶 乎餐壁垂 函数法和增强的壁面处理方法对计算结果不会带来进一步改善，反而由于它们对近壁 耐阏格划分带来更高疆求，极大的增加了计算量。 2 6 商用c f d 软件简介 随着计算机硬件和软件技术的发展和数值计算方法的日趋成熟，出现了基于现有 流动理论的商用c f d 软件。商用c f d 软件使许多不擅长c f d 的其它专业研究人员能 够轻松地进行流动数值计算，从而使研究人员从编制繁杂、重复性的程序中解放出来， 以更多的精力投入到考虑所计算的流动问题的物理本质、问题的提法、边界( 初值) 条件和计算结果的合理解释等重要方面，这样最佳地发挥了商用c f d 软件开发人员和 其它专业研究人员各自的智力优势，为解决实际工程问题开辟了道路。 前处理i b a & 网格n 划建分n 求解器求解 a 确定c f d 方法的控制方程 b 选择离散方法进行离散 c 材料的物质属性 d 边界条件 后处理 ：曩耄蠹毳焉茑嚣视化及动画处理 图2 4c f d 处理过程 博十学位论文第一二章控制方程与物理模型 2 6 1 商用c f d 软件结构 当着手研究某一问题时，首先需要建立模型；根据相关专业知谚 将问题用数学方 法表达出来。然后就是如何币i 用c f d 软件，对问题进行求解、分析。整个c f d 处理 过程通常包括如图2 4 所示的三个部分。 2 6 2 商用c f d 软件分类 著名的主流c f d 处理软件主要有：p h o e n i c s 、s t a r - - c d 、c f x 、f l u e n t 等 等。下面将简要介绍一下各个软件的特点。 h 】e n t f l u e n t 是嚣蘩阉舔上魄较流露豹亵羯c f 转较俘卺，奁美鹫蕊蛩彳凌占蠢率为 6 0 。凡是跟流体，热传递及化学反应等有关的工业均可使用。它具有丰富的物理模 型、，毫进的数值方法默及强大的藏磊处理功8 ，在艘空靛天、汽车设计、石浊天然气、 涡轮机设计等方面者隋着广泛的应用。其在石油天然气工业上的应用包括：燃烧、并 下分析、喷射控制、环境分析、油气消削聚积、多相流、管道流动等等。 h 翮蛩瞄的较辞设计基于c d 软件群的思想，6 谰声震求角度出发，针对备释复 杂流动的物璎现象，f l u e n t 软件采用不同的离散格式和数值方法，以期在特定的领 竣凌饺计算速度、稳怒眭器耩痰等方瑟这至l 蘩篷缀合，簌嚣裹效率蟪鼹决各令镶域豹 复杂流动计算问题。基于e 述思想，f l u e n t 开发了适用于各个领域的流动模拟软件， 这赡较悻彩模拟滚体滚动、传热传质、钝学反应和其它复杂的物理现象，软馋之闻 采用了统一的网格生成技术及共同的图形界面，而各软件之间的区剐仅在于应用的工 业背景不同，因此大大方便了用户。其备软件模块包括： g a m b r r - - # 孺豹c f d 嚣濯处瑾器，f l u e n t 系歹日产龋皆采用掇l 歪硪公司自 行研发的 镰m r r 前处理软件来建立几何形状及生成网格，是一具有一定建构模型能 力戆藏处理瓣，g a m b i t 生成瓣霹掺瑟囊f l u e n t 逶嚣求瓣。 f 1 朋巳n 他是撼于非结构化网格的通用c h ) 求解器，针对非结榭生网格模型设 计，是用有黻密积法求解不可鹰缨瀛及中发可压缩流滚场闷题瓣c f d 敬l 孛。可蔽躅的 范阐有湍流、传热、化学反应、混合、旋转流( r o t a t i n gf l o w ) 及激波等。在涡轮机及 推进系统分析者隋相当优秀的结果，并目对模型的快速建立及激波捕捉部有相当好的 效鬃。 f d a p 一是基于脊限元方法的通用c f d 求解器，为一专门解决科学及工程上有关 渡体力学镄缓及铸熬等润题豹分辨软 孛，楚金蘧第一套霞震有陵元法予c f d 锈域豹软 件，其应用的范围有一般流体的流场、自由表面的问题、湍流、非牛顿流流场、传热、 | 尊士学位论文 第二章控制方程与物理模型 化学反应等等。f i d a p 本身含有完整的前后处理系统及流场数值分析系统。对问题整 个研究的程序，数据输入与输出的协调及应用均有极高效率。 p o l y f l o w 针对粘弹性流动的专用c f d 求解器，用有限元法仿真聚合物加工 的c f d 软件，主要应用于塑料射出成形机、挤型机和吹瓶机的模具设计。 m i x s m i _ 针对搅拌混合问题的专用c f d 软件，是一个专业化的前处理器，可建 立搅拌槽及混合槽的几何模型，不需要一般计算流体力学软件的冗长学习过程。它的 图形人机接口和组件数据库，让工程师直接设定或挑选搅拌槽大小、底部形状、折流 板的配置，叶轮的型式等等。m i x s i m 随即自动生成三维网络，并由f l u e n t 做后续 的模拟分析。 i c e p a k _ 专用的热控分析c f d 软件，专门仿真电子电机系统内部气流，温度分 布的c f d 分析软件，特别是针对系统的散热问题作仿真分析，藉由模块化的设计快速 建立模型。 c f x c f x 跫蠢荚西a e a 公霹开发，燕一静实用流体工程分摄工其，燕子穰羧流淬滚 动、传热、多相流、化学反威、燃烧问题。其优鹁在于处理流动物理现象简单而几何 炒次复杂数目题。邈曩l 予直角艘嚣，旋转坐掭系，撼鼓 纂态流动，瞬惑遐移婀掺， 不可压缩弱可压缩h 町压缩流，浮力流，多相流，日# 牛顿流体，化学殷应，燃烧，n o , 生成，辐射，多孔介质及混合健热过程。a 采用有限容积法，自动时间步长控制。 s i m p l e 算法，代数多重丽格、i c c g 、l i n e 、s t o n e 和b l o c ks t o n e 解法。能有效、精 确地表达复杂几何形状，任意连接模块即可构造所需的几何图形。在每一个模块内， 嬲格浆生成霹渡确缳逐速、甏箨遣进行，这耱多浚式弼格允许扩震鞠变形，谬j 鲡计冀 气缸中活塞的运动和自由表面的运动。滑动网格功能允许9 闻格的各部分可以相对滑动 躐旋转，这耱功害霹以臻于诗冀牙轮链头与共璧阕流体懿耀互作用。 c f x 引进了各种公认的湍流模型。例如：稀准k s 模型，低雷诺数七一8 模型， r n gk g 模型，代数应力模溅，雷诺廒力模型，霄诺通鬣模型等。c f x 的多相流模 黧可臻子分析工遭生产中出现的各种流动。包括筚体颓粒运动模型，连续相及分散相 的多相流模型和自由表面的流动模型。 p h 0 蠢耀s p h o e n i c s 是英国c h a m 公司开发的模拟传热、流动、反应、燃烧过糨的通用 c f d 软l 孛，毫3 0 多年款历史。网捂系统包括：豢霸、圆黩、夔瑟( 包攥菲正交秘运 动网格，憾在其v r 环境不可以) 、多重网格、精密网格。可以对三维稳态或非稳态的 可压缩流或不可压缩流进行模拟，包括非牛顿流、多孑盼痰中的流动，并且可以考虑 精度、密度、温度交他的影响。在流体溪垒上面，p h o e n i c s 内置了2 2 神通合于各 种r c 数场合的湍流模型，包括雷诺应力模型、多流体湍流模型和通量模型及k s 模 博士学位论文 第一章控制方程与物理模型 型的各种变器，共计2 1 个溃漉模型，8 个多相流模裂，l o 多个差分格式。 譬除疑一c d s t a r - c d 的创始人之一g o s m a n 与p h o e n i c s 的创始人s p a l d i n g 都是英国伦敦 大学同教研室的教授。 s t a r - c d 是s i m u l a f i 豫o ft u r b t f l e 睦tf l o wi na r b i t m yr e g i o n 戆缀写，c d 是 c o m p u t a t i o n a lo y n a r f l i c sl t d 。是基于有限容积法的通爝流体计算软件，在网格生成方面， 采用非结构化网格，单元体可为六面体、四面体、三角形界面的棱 童体、金字塔形的 锥体以及六转形状的多蕊体，还可与c a d 、c a e 软传接口，如a n s y s ，i d e a s ， n a s t r a n ，p a t r a n ，i c e m c f d ，g r i d g e n 等，遮使s t a r - c d 在适应复杂壤域 方面的特别优势。 s t a r - - c d 能处理移动网格，用于多级透平的计弊。在差分格式方面，纳入了一 黢u p w i n d , - - 茨u p w i n d ，c d s ，q u i c k ，跌及一殓l p w i n d 与c d s 或q u i c k 的混合格式，在压力藕合方面采用s i m p l e ，p i s o 以及称为s i m p i s o 的算法。在湍 流模型方两，有七一s ，r n gk g ，意一占两层等模型，可计算稳惑、非稳态、牛顿 流体、非串顿流体、多事k 介质、亚音遮、超音速、多襁流等润题。 骥定获辫决闫题的姆鳋芝瑶，亵髑髅d 妖 睾鬟要以下艮拿基本的步骤来解决闲鬏； l + 龟q 建网摄 2 输入网格 3 检查阿瞎 4 + 选择烬救掺式 5 选择鼹要锵豹基本方程：层滤还怒湍流戏者是凭糙流、化学组分还楚化学疑虑、热 传导模型等 6 。礁定艨嚣蘩豹隳摭模溅，始辕囊| 、多享b 奔矮等 7 指定材料物理性艨 8 指定边界条件 9 调节解的控镱l 参数 l o 扔始纯滚场 1 l + 计算解 1 2 检查绐果 1 3 绦存缀票 1 4 必要的话，缎化耀攘，改变数僮方法秘魄瑾骥型 博士学位论文 第二章控制方程与物理模型 以上主要讨论了商用c f d 软件处理器解决问题的基本步骤。对于具体的c f d 软 件( 如f l u e n t 、c f x 、s t a r - - c d 、p h o i 烈i c s ) 来说，它们的操作过程和操作方 法基本一致，功能略有区别。选择适于要解决问题的软件，充分利用各个不同软件的 优点应该是我们的主要目的。但是要对目前那么多的大型商用c f d 软件的性能进行全 面的比较和评价是一件很困难的事，各个软件都有其一定的优点及其特别适宜的使用 范围。但是，就某一个具体问题来说，针对问题的特点选择不同商用c f d 软件以及这 些软件各自的前处理器，比如f l u e n t 的g a m b i t 、c f x 的c f x - - b u i l d 、s 1 a r c d 的p r o s t a r ，而这些前处理器不论从其c a d 的内核还是从操作方法上来看千差 万别。并目这些软件生成的网格彼此互不通用，这就要求我们在使用不同的c f d 软件 时需要对这些软件各自的前处理器进行学习，工作量巨大，同时也给我们带来许多不 必要的麻烦。 正是由于商用c f d 软件前处理器生成的文件格式无法统一，本文提出了采用统一 前处理的模式进行解决。统一前处理模式的主要思想是利用f l u e n t 软件的前处理软 件g a m b i t 软件进行建模，然后将建立好的模型软件通过i g e s 格式导入到专业的网 格生成软件进行网格划分，然后将生成好的网格文件输出成不同格式文件，以供不同 的商用c f d 软件使用。目前主流的网格生成软件主要有g r i d g e n 软件和i c e mc f d 软件。本文采用了i c e mc f d 软件进行网格划分，下面对i c e m c f d 软件进行简要介 绍。 2 6 4i c e mc f d 软件简介 i c e mc f d 是荚鏊i c e mt e c l - m o l o g i e s 公司的产晶，宅是生藏隧陶努号瘸软 孛，可 生成块结构化网格、非结构化网格( 三角形、四厢体、六丽体) ，适体坐标以及h 型 趣适应网格，其生成阏辏的模块如图2 a 鹱示。i c e mc f d 生藏豹网掺不饺霉戬供c f d 软件使用，还可以供c a e 软件使用，表2 1 中列出了i c e m c f d 支持的求解器的种类。 鲻前，i c e mc f d 的最高版本为4 2 2 。 站糊 多块籀檎 h e x a p - c t l b e l 聃u l c o 非站轼j 采谢辑臻 jf i 葫武嘲体j - f u t o h e x a - l c e 赫q u 矗dl c e p a k j 圈2 4i c e mc f d 生成网格的模婕 磊 。u 一 一始 轴堪 | |一璺一! = 竺 丽矧一 博士学位论文第一二章控制方程与物理模型 i c e mc f d 与c a t i a 、u g 、p r o e 、i d e a s 等主流c a d 软件都有直接接口，可 以将这些软件生成的几何造型文件直接读入，它有自己的c a d 系统一d d n ，也可读 入i g e s 、s a t 、s t l 等格式的文件。它可以提取几何造型文件中的曲面、曲线和点， 整理和增添几何造型。 它同套网格可以输出至帕e f 可求解器，如s t a r - c d 、a n s y s f l o t r a n 、p h o e n i c s 、f l u e n t 、 c f x 、n u m e c a 、c - v o + + 等上百种求解器( 具体可参见表2 1 ) ，对同样的网格用不同的 求解器计算，比较各求解器的优缺点。 还采用自动映射技术，只要对计算域进行分块，自动生成六面体网格、容忍几何 外形的不完善：重迭、缝、洞，也可修补、全流场网格质量的可视化检查，用于提高 网格质量、大规模问题网格生成速度很快。 表2 1i c e mc f d 支持的求簿器 凸量g 骚盘随型趔 c u s ( ) l v fa d i n a a 琢霉瞄d l p 隧 t 删 熊鲻 a u 蛩0 ( 蔓强 圣担避 g 卫兰 c f 鼽a c e g 蛩娥四g ：u 竖 c f h g 翌5 c f x l l a s a 日f g 甚sa l 嫂m q 醵 坌笾l 筮差壑鹣盛 c o n a i 髓。 鲔基毽 c r 埘c h 卫删 d s m c - s a n d i ad 1 f 联旦巡 e 蟠疆e s 譬3 d翳测f l d 洋臼撼秘黼玛r e f l e xi l 删c mf i 上盯r a nf 1 ( ) w - l o g i cf i 上j e 滞v 4 f i j l 】e n t 5娥g l s 3 “a d mg m t e cg s m a c d 旧 囊盏匿 醚鼬掇孵渊瑶g m避 l 趔坦甄蛏必蛐 、0 3 l 蚶j r au b d y n a 3 dl s _ d y n a 3 d 缝a 迭 m a g r e c ，m u l 偈h ) c kn a g 玎t a nn e k l o n 瑙独鲢丝泌 迎 n 【m i b c a 丛鞋驺燃必艇丛丛 p h o 酬l c s 毯藏登坌 p l 眭娥c转蔓翻删 p o l y 3 d p o p i n d ar 饼o s sr t r 熬幽 s p e c t r u m - c e n t p d c s p u t f i 。( ) w 鄹烈埏垒卫潍l蛩般 t d f 翌丛塾邈睡卫黧越蹩毽蛰骜登 u s au s m 王d u s m k v 3 vv s a e r 0 ，u s a e f 哪啦玎啦) m a 蚍r 一般i c e mc f d 豹处理多骤是：凡何图形的定义、模墅的设定、网格的生硪、网 格编辑、转换为分析代码。另外，i c e mc f d 还带商i c e mc f dv i s u a l 3 后处理模块、 i c e mc f dm o m 3 d 崧勰懿基确上逶应瓣格模块、i c e mc f dc o m a k 参数熬凡侮蚕影 创建模块，在纵向应用中尤其烧针对具体工程问题的应用它还有i c e mc f d 薄士学位论文第二章控制方程与秘璇模型 a e r o _ b l o c k 汽车终郝空气动力学快速网格划分模块、r a m m _ i c e 圆柱内滚建模工 其、u h 3 d 汽车裁螽冷却分橱模块。 2 7 本颦小结 校攒城市滨汪大道风环境的特点，以搭建快速、可靠的模拟计算体系为翻标，对 影响模拟计算精度和速度的数值模拟方法进行了详细的探讨。讨论了基于雷诺时均方 程的标凇的k g - 模型和r n gk 一8 模型、用于计棼太阳照射魄辐射模型、用予处理 大气边赛朦下垫嚣建筑群豹多孔分瓣模型，对近壁灏处理方法逡行了夯绍。鼓蕊简要 介绍了本文研究中所浆用的c f d 软件。 媾士学位论文 第三章建模、网格构造及参数化处理方法 第三章建模、网袼构造及参数纯处理方法 本章主蒙内容是对所要模拟的问题进行了数值描述，详细讨论了建模 方法，网