深圳大学科技楼的风环境数值模拟.doc

深深 圳圳 大大 学学 本 科 毕 业 论 文 设 计 题目 深圳大学科技楼的风环境数值模拟深圳大学科技楼的风环境数值模拟 姓名 程程 飞飞 专业 土木工程土木工程 学院 土木工程土木工程 学号 2007090201 指导教师 杨杨 磊磊 职称 副教授副教授 2011 年 04 月 27 日 深圳大学本科毕业论文 设计 诚信声明深圳大学本科毕业论文 设计 诚信声明 本人郑重声明 所呈交的毕业论文 设计 题目 深圳大学科 技楼的风环境数值模拟 是本人在指导教师的指导下 独立进行研 究工作所取得的成果 对本文的研究做出重要贡献的个人和集体 均已在文中以明确方式注明 除此之外 本论文不包含任何其他个 人或集体已经发表或撰写过的作品成果 本人完全意识到本声明的 法律结果 毕业论文 设计 作者签名 日期 年 月 日 目录 目录目录 摘要摘要 1 第一章第一章 计算风工程简介计算风工程简介 2 1 1 CWE 简介简介 2 1 1 1 风工程简介风工程简介 2 1 1 2 风工程研究方法风工程研究方法 2 1 1 3 计算风工程计算风工程 3 1 1 4 实例应用实例应用 3 1 2 FLUENT 简介简介 4 1 2 1 程序结构程序结构 4 1 2 2 FLUENT 程序可以求解的问题程序可以求解的问题 4 1 2 3 利用利用 FLUENT 程序求解问题的步骤程序求解问题的步骤 5 1 2 4 关于关于 FLUENT 求解器的说明求解器的说明 5 1 2 5 FLUENT 求解方法的选择求解方法的选择 5 1 2 6 边界条件的确定边界条件的确定 6 1 3 风环境介绍风环境介绍 8 1 3 1 深圳大学科技楼概况深圳大学科技楼概况 8 1 3 2 舒适度评估准则舒适度评估准则 9 第二章第二章 数值计算的网格生成数值计算的网格生成 12 2 1GAMBIT 简介简介 12 2 2GAMBIT 建模建模 12 目录 第三章第三章 FLUENT 软件的设置软件的设置 16 3 1 定常条件下定常条件下 FLUENT 的设置的设置 16 3 2 导入网格文件导入网格文件 16 3 3 网格检查网格检查 16 3 4 求解器设置求解器设置 16 3 5 K 湍流模型设置湍流模型设置 17 3 6 设置边界条件设置边界条件 18 3 7 求解求解 20 第四章第四章 风环境评估风环境评估 24 4 1 计算说明计算说明 24 4 2 行人高度处的风环境评估行人高度处的风环境评估 24 4 3 建筑物高空平台风环境分析建筑物高空平台风环境分析 27 4 4 结论结论 30 第五章第五章 总结与展望总结与展望 31 5 1 总结总结 31 5 2 展望展望 31 致致 谢谢 32 参考文献参考文献 34 摘要 深圳大学科技楼的风环境数值模拟深圳大学科技楼的风环境数值模拟 深圳大学土木工程学院 姓名 程飞 学号 2007090201 指导教师 杨磊 摘要摘要 在深圳大学科技楼的风环境数值模拟的计算过程中 首先运用 GAMBIT 创建 出科技楼的简化建筑模型 然后导出科技楼与计算域的四面体的三维网格 输出 mesh 文 件 再通过 FLUENT 对网格入口 出口和对称边界条件进行具体设置 计算出科技楼在 定常条件下的计算网格在 k 湍流模型下的 Standard 结果 满足收敛后 根据 FLUENT 后 处理可以得出该建筑表面及观察面的速度矢量图 压力等压线分布图 观察科技楼行人高 度 21 5m 处和两处观览台平台 44m 和 60m 平面的风速矢量图和风速等值线图 然后做出 各平面的风环境评估 得出在科技楼行人高度处和科技楼高空环境的风环境质量以及舒适 度 计算结果表明 当台风来临时 在定常条件的 k 湍流模型下的 Standard 结果下 科技 楼迎风面在 21 5m 平面的相对舒适性是危险 蒲氏风级达到 9 级 人有被台风吹倒的危险 在科技楼的行人走廊的入口和出口处 由于穿堂风的影响 风速依然很大 处于 9 级蒲氏 风速 舒适环境差 而正背风面一片区域 由于建筑物的阻挡 风速下降 只处于 3 4 级 风速 是行人高度处相对舒适性较好 可容忍的安全区域 在 44m 和 60m 高空观览台处 横截面有所区别 但是风速风压矢量图相似 迎风面的建筑物表面风速都超过 10 级蒲氏风 速 风环境属于危险区域 而在行人活动的观览台内部 无论是在迎风面还是在背风面 风速处于蒲氏 5 级风速之下 风环境较好 行人的相对舒适性为可容忍的范围之内 关键词关键词 计算风工程 数值模拟 湍流模型 风环境 舒适度 第一章 计算风工程简介 第一章第一章 计算风工程简介计算风工程简介 1 1 CWE 简介简介 1 1 1 风工程简介风工程简介 风是建筑物设计以及城市规划中需要慎重考虑的气象因子之一 大型高层建筑的修建 既需要建筑技术与结构材料的保障 同时也应该具有足够的抗风强度 因而设计者需要考 虑风对结构体的动态载重效应 建筑物在外界强风来流的作用下可能导致的摆动 震动等 结构安全方面的问题 一直都是计算风工程领域的重要研究课题之一 随着科技水平的提 高和人们生活的不断改善 建筑物所导致的行人风环境问题 也开始逐渐得到大家的重视 1 我国风工程研究的发展分2个阶段 1 起步模仿阶段 1970 1980年代 1 建筑物风压实测 1974年 孙天风教授在国内首次利用北大2 25m级风洞进行了大气边界层风洞 模拟实验 广东省建科院 广州宾馆 白云宾馆 1974 上海建科院 上海电视塔 1980 2 桥梁节段模型风洞实验 同济大学 泖港大桥 1979 气动中心FL 12航空风洞 3 建造大气边界层风洞 广东省建科院 3m 2m 1 2m 1 8m 1985 北京大学 3m 2m 32m 1984 同济大学 1 2m 1 8m 18m 1989 2 快速发展阶段 1990 至今 1 同济大学成立土木工程防灾国家重点实验室 1990 2 同济大学建成TJ 3大型大气边界层风洞15m 2m 14m 1994 3 大气边界层风洞和风工程实验的普及 汕头大学风洞 西南交通大学风洞 航空风洞的改造 南航NH 2风洞 气动中心FL 13风洞 2 风工程是一门交叉学科 其研究主要是建立在气象学 钝体空气动力学 统计学和结 构动力学的基础上 其主要分支有建筑风工程 桥梁风工程 车船风工程和风环境 而目 前研究风工程的方法有现场实测 风洞试验 理论分析和数值模拟 在未来的几十年内 风工程的发展将会更加的迅猛 其关注度也会提高 风环境的数值模拟也将会走向更深更 高更远的领域 1 1 2 风工程研究方法风工程研究方法 建筑物风环境的研究方法一般包括现场观测 物理模拟实验如风洞 水槽和水洞实验 等以及数值模拟计算 即实验研究的方法与数值模拟的方法 通过试验是最基本的方法 这种研究有两种途径 一是在实际建筑物上测定表面压力 第一章 计算风工程简介 分布 二是将建筑物做成缩小比例的模型 在风洞试验室中进行试验 在实际建筑物上测 定表面压力分布一般认为是最可靠的 所得数据被认为是最有参考价值的 但是由于实物 量测耗时耗资甚大 在实际中较少应用 相对传统的风试验数值模拟优点有成本低 所需 周期短 效率高 不受模型尺度影响 可以进行全尺度的模拟 克服风洞试验中难以满足 雷诺数相似的困难 可以方便地变化各种参数 及早发现问题 易于实现结构设计的数字 化 一体化 总之 数值模拟较之传统的风洞模拟试验有诸多优点 数值风洞技术逐渐成 为辅助传统试验风洞的强有力的工具 1 1 3 计算风工程计算风工程 计算风工程 Computing Wind Engineering 简称 CWE 是建筑风工程中极具前景的 一个方向 也是当前国际风工程研究的一个热点 计算风工程的核心内容是计算流体动力 学 Computational Fluid Dynamics 简称 CFD 计算流体动力学在风工程中的应用已得 到迅速发展 3 计算风工程又称数值风洞方法 它与直接的风洞实验相比较 有它的优越性 具有模 拟真实风环境的能力 可以构建原型尺度的计算模型 这样可以按实际的风环境进行仿真 和模拟 避免了风洞试验只能进行缩尺实验的不足 同时还具有周期短 费用低的特点 因此 越来越多的专业人员认识到他与实验室风洞一样 正在逐步成为结构风工程的一种 重要手段 3 建筑物位于大气边界层中 气流在大气边界层中的流动属湍流 湍流的研究是流体力 学中最困难的内容 同时风工程研究的重点是钝体空气动力学 虽然计算风工程领域经过 许多学者的努力 已经取得了许多成就 但至今其研究还是属于比较困难的领域 表现在 建筑物或结构物总是在地表边界层内流场中存在 成为风流动中具有 钝体 的障碍物 钝 体周围的流场很复杂 它由撞击 impingement 分离 separation 回流 reattachment 环绕 circulation 和涡 vortices 等确定 如 Fig 1 1 所示 因此计算风工程包含了当今 世界上被认为是困难的所有流体动力学内容 4 Fig 1 1 二维立方体模型周围的流场 尽管如此 计算风工程在城市和土木工程领域中的发展是很快的 由基础的研究开始 逐步进入应用阶段 具体地表现在绕纯体流动的速度和压力场的分析 绕建筑物近地面步 行风问题的分析 城市和区域气候分析 市区户外气候分析 绕建筑物或城区大气扩散分 析 以及流体与结构气弹性耦合的基础研究等 3 目前 随着湍流物理模型的发展 加之计算技术和软 硬件的飞速进步 在结构风工 程领域中 对刚体建筑物壁面的平均风压及其周围风流场进行数值模拟已成为现实 国内 已完成了许多高层建筑 或高层建筑群 大跨屋盖结构等平均风荷载的预测 受到了工程 界和结构设计人员的欢迎 3 1 1 4 实例应用实例应用 建筑物风场模拟计算的边界处理 5 采用数值模拟方法预测建筑风载及风环境时 计 算区域的边界及界面离散的方法将直接影响风场解的收敛和准确性 基于结构化同位网格 在建筑风场模拟中的应用 并结合控制容积法的离散及压力校正算法的实施 提出了合理 第一章 计算风工程简介 的计算边界 且相应给出了压力校正方程的界面离散方法 经算例 上述方法不仅能保证 迭代收敛并取得较为准确的风场解 而且实现了同一计算网格能适用于不同风向的模拟 提高了正交结构化网格的适用性 高层建筑周围定常风场的数值模拟 6 通过对高层建筑周围定常风场的数值模拟与原 型试验结果的比较 分析了在进行数值模拟时 入口边界条件和湍流模型等因素对计算结 果的影响 模拟结果表明 入口边界条件和湍流模型均对模拟结果具有较大影响 其中 入口边界条件中速度分布对计算结果的影响大于湍流强度分布对计算结果的影响 而RNG k 湍流模型的计算精度优于Standard k 湍流模型 建筑群行人高度风环境的数值模拟 7 采用控制容积积分法和求解压力耦合方程的半隐 算法求解控制方程 选用标准k 湍流模型 对风绕某实际工程建筑群布局的流动特性进行 数值计算 得到了建筑周围行人高度处在不同风向时的风速分布 结果表明在上游建筑物 的迎风面拐角附近以及前后排建筑之间的通道 风速最大 漩涡分布最强烈 是建筑物周 围风环境最不安全的区域 通过分析比较 讨论了风向 建筑间距等因素对建筑风环境的 影响 研究结果对于改进建筑设计与局部气候环境之间的关系具有参考意义 1 2 FLUENT 简介简介 Fluent 是目前国际化上比较流行的商用 CFD 软件包 在美国的市场占有率为 60 只要涉及流体 热传递及化学反应等的工程问题 都可以用 Fluent 进行解算 它具有丰富 的物理模型 先进的数值方法以及强大的前后处理功能 在航空航天 汽车设计 石油天 然气 涡轮机设计等方面都有着广泛的应用 例如 石油天然气工业上的应用就包括燃烧 井下分析 喷射控制 环境分析 油气消散 聚积 多相流 管道流动等 8 它提供的非结构网格生成程序 对相对复杂的集合结构网格生成非常有效 可以生成 的网格包括二维的三角形和四边形网格 三维的四面体 六面体及混合网格 FLUENT 还 可以根据计算结果调整网格 这种网格的自适应能力对已精确求解有较大梯度的流场有很 实际的作用 由于网格自适应和调整只是在需要加密的流动区域里实施 而非整个流场 因此可以节约计算时间 9 1 2 1 程序结构程序结构 FLUENT 程序软件包由以下几个部分组成 1 FLUENT 用于进行流动模拟计算的求解器 2 prePDF 用于模拟 PDF 燃烧过程 3 TGrid 用于从现有的边界网格生成体网格 4 Filters Translators 转换其他程序生成的网格 用于 FLUENT 计算 可以接口的程序包括 ANSYS I DEAS NASTRAN PATRAN 等 9 1 2 2 FLUENT 程序可以求解的问题程序可以求解的问题 FLUENT 软件可以采用三角形 四边形 四面体 六面体及其混合网格 基本控制体 形状如 Fig1 2 所示 FLUENT 软件可以计算二维和三维流动问题 在计算过程中 网格可 以自适应调整 FLUENT 软件的应用范围非常广泛 主要范围如下 1 可压缩与不可压缩流动问题 2 无黏流 层流及湍流问题 3 牛顿流体及非牛顿流体 4 对流换热问题 包括自然对流和混合对流 5 导热与对流换热耦合问题 6 辐射换热 7 惯性坐标系和非惯性坐标系下的流动问题模拟 8 可以处理热量 质量 动量和化学组分的源项 第一章 计算风工程简介 9 用 Lagrangian 轨道模型模拟稀疏相 颗粒 水滴 气泡等 10 多孔介质流动 11 一维风扇 热交换器性能计算 12 两相流问题 13 复杂表面形状下的自由面流动 9 二维网格 三维网格 三角形四边形 四面体六面体 棱锥形棱柱形 Fig 1 2 FLUENT 的基本控制体形状 1 2 3 利用利用 FLUENT 程序求解问题的步骤程序求解问题的步骤 利用 FLUENT 软件进行求解的步骤如下 1 确定几何形状 生成计算网格 用 GAMBIT 也可以读入其他指定程序生成的 网格 2 输入并检查网格 3 选择求解器 2D 或 3D 等 4 选择求解的方程 层流或湍流 或无粘流 化学组分或化学反应 传热模型 等 确定其他需要的模型 如 风扇 热交换器 多孔介质等模型 5 确定流体的材料物性 6 确定边界类型及边界条件 7 流场初始化 8 求解计算 9 保存结果 进行后处理等 9 1 2 4 关于关于 FLUENT 求解器的说明求解器的说明 1 FLUENT 2D 二维单精度求解器 2 FLUENT 3D 三维单精度求解器 3 FLUENT 2ddp 二维双精度求解器 4 FLUENT 2ddp 三维双精度求解器 1 2 5 FLUENT 求解方法的选择求解方法的选择 非耦合求解 耦合隐式求解 耦合显式求解 非耦合求解方法主要用于不可压缩或低马赫数压缩性流体的流动 耦合求解方法则可 第一章 计算风工程简介 以用在高速可压缩流动 FLUENT 默认设置是非耦合求解 但对于高速可压流动 或需要 考虑积力 浮力或离心力 的流动 求解问题时网格要比较密 建议采用耦合隐式求解方 法求解能量和动量方程 可较快地得到收敛解 缺点是需要的内存比较大 是非耦合求解 迭代时间的 1 5 2 0 倍 如果必须要耦合求解 但机器内存不够时 可以考虑用耦合显式 解法器求解问题 该解法器也耦合了动量 能量及组分方程 但内存却比隐式求解小 缺 点是收敛时间比较长 9 1 2 6 边界条件的确定边界条件的确定 利用 FLUENT 软件的进行计算过程中 边界条件的正确设置是关键的一步 设置边界 条件的方法一般是先利用 GAMBIT 建模过程中设定边界种类 再在 FLUENT 求解器对边 界类型进行具体设定 FLUENT 软件提供了十余种类型的进 出口边界条件 分别介绍如下 1 速度入口 velocity inlet 给出入口边界上的速度 给定入口边界上的速度及其他相关标量值 该边界条件适用于不可压缩流动问题 对 可压缩问题不适合 否则该入口边界条件会使入口处的总温或总压有一定的波动 边界条件设置对话框如 Fig1 3 输入量包括 速度大小 方向或各速度分量 轴向速 度 轴对称有旋流动 静温 考虑能量 等 Fig 1 3 速度入口边界设置对话框 2 压力入口 pressure inlet 给出入口边界上的总压 压力入口边界条件通常用于流体在入口处的压力为已知的情形 对计算可压和不可压 问题都适合 压力进口边界条件通常用于进口流量或流动速度为未知的流动 压力入口条 件还可以用于处理自由边界问题 3 质量入口 mess flow inlet 给出入口边界上的质量流量 质量入口边界条件主要用于可压缩流动 对于不可压缩流动 由于密度是常数 可以 用速度入口条件 质量入口条件包括 质量流量和质量通量 质量流量是单位时间内通过进口总面积的 质量 质量通量是单位时间单位面积内通过的质量 如果是二维轴对称问题 质量流量是 单位时间内通过 2 弧度的质量 而质量通量是通过单位时间内通过 1 弧度的质量 第一章 计算风工程简介 给定入口边界上的质量流量 此时局部进口总压是变化的 用以调节速度 从而达到 给定的流量 这使得计算的收敛速度变慢 所以 如果压力边界条件和质量边界条件都适 用时 应优先选择用压力入口边界条件 对于不可压缩流动 由于密度是常数 可以选择 用速度进口边界条件 4 压力出口 press outlet 给定流动出口边界上的静压 对于有回流的出口 该边界条件比 outflow 边界条件更容易收敛 给定出口边界上的静压强 表压强 该边界条件只能用与模拟亚音速流动 如果当 地速度已经超过音速 该压力在计算过程中就不采用了 压力根据内部流动计算结果给定 其他量都是根据内部流动外推边界条件 该边界条件可以处理出口有回流问题 合理的给 定出口回流条件 有利于解决有回流问题的收敛困难问题 5 无穷远压力边界 pressure far field 该边界条件用于可压缩流动 如果知道来流的静压和马赫数 FLUENT 提供了无穷远压力边界条件 需要把边界放 到我们关心区域足够远的地方 给定边界静压和温度及马赫数 可以是亚音速 跨音速或超音速 并且需要给定流动 方向 如果有需要还必须给定湍流量等参数 无穷远压力边界条件是一种不反射边界条件 6 自由出流 outflow 对于出流边界上的压力或速度均为未知的情形 可以选 择自由出流边界条件 这类边界条件的特点是不需要给定出口条件 除非是计算分离质量流 辐射换热或者 包括颗粒稀疏相问题 出口条件都是通过 FLUENT 内部计算得到 但并不是所有问题都 适合 如下情况 就不能用出流边界条件 包含压力进口条件 可压缩流动问题 有密度变化的非稳定流动问题 即使 是不可压缩流动 用出流边界条件时 所有变量在出口处扩散通量为零 即出口平面从前面的结果计算 得到 并且对上游没有影响 计算时 如果出口界面通道大小没有变化 采用完全发展流 动假设 当然 在径向允许有梯度存在 只是假设在垂直出口面方向上扩散通量为零 7 进口通风 inlet vent 进口通风边界条件需要给定入口损失系数 流动方向和 进口环境总压和总温 8 进口风扇 intake fan 进口风扇边界条件需要给定压降 流动方向和环境总 压和总温 假设进口风扇无限薄 并且有不连续的压力升高 压力升高量是通过风扇速度的函数 如果是反向流动 风扇可以看成是通风出口 并且损失系数为 1 压力阶跃可以是常数 或者是流动方向垂直方向上速度分量的函数形式 9 出口通风 outlet vent 出口通风边界条件用于模拟出口通风情况 并给定一个损失系数以及环境 出口 压 力和温度 排出风扇给定损失系数和换进静压和静温 出口通风边界条件需要给定如下参数 静压 回流条件 辐射参数 离散相边界条件 损失系数 10 排气扇 exhaust fan 抽风扇给定降压 环境静压 排气扇边界条件用于模拟外部排气扇 给定一个压升和环境压力 假定排气扇无限薄 并且流体通过排气扇的压升是流体速度的函数 11 对称边界 symmetry 对称边界条件适用于流动及传热场是对称的情形 第一章 计算风工程简介 在对称轴或者对称面上 如 Fig1 4 既无质量的交换 也无热量等其他物理量的交换 因此垂直于对称轴或者对称平面的速度分量为零 在对称轴或者对称面上 所有物理量在 其垂直方向上的梯度为零 因此在对称边界上 垂直于边界的速度分量为零 任何量的梯 度也零 计算中不需要给定任何参数 只需要确定合理的对称位置 该边界条件可用于黏性流 中运动边界处理 对称面 Fig 1 4 对称面示意图 12 周期性边界 periodic 如果我们关心的流动 其几何边界 流动和换热是周期性重复的 那么可以采用周期 性边界条件 FLUENT 提供了两种类型 一类是流体经过周期性重复后没有压降 cyclic 另外一类有压降 periodic 13 固壁边界 wall 对于黏性流动问题 FLUENT 默认设置是壁面无滑移条件 对于壁面有平移运动或者 旋转运动时 可以指定壁面切向速度分量 也可以计算壁面切应力和雨流体换热情况 壁 面热边界条件包括固定热通量 固定温度 对流换热系数 外部辐射换热 外部辐射换热 与对流换热等 9 1 3 风环境介绍风环境介绍 1 3 1 深圳大学科技楼概况深圳大学科技楼概况 深圳大学科技楼是深圳大学新建的标志性建筑 也是目前深圳大学最高的建筑物 总建筑面积 41000 平方米 总投资 1 2 亿元 整个建筑由 15 层主体建筑与总高 94 8 米的 中央交通厅塔楼两部分组成 主要用作学校的 7 个新兴学科的重点实验室 电化教学中 心 学术交流中心 专家研究生用房等 深圳大学科技楼是一平躺一竖立的两个浅灰色方盒子 简洁 质朴 大方 平和 水平盒子露出地面两层 顺着坡地还有一个半地下的设备 停车用房 上面立着的盒子 有十六层高 中央部分升起的是电梯间 电梯间实际上构成一个 交通核 它在视觉 上和功能上都将两个盒子串了起来 立着的盒子在中腰部分有局部掏空 所以这座楼的 几何构成是这样的 一个扁平方盒上立一个垂直方盒 垂直方盒子内部是镂空的 四面 都开了大洞 一竖立长方体一贯到底 模型外观如下图 Fig1 5 第一章 计算风工程简介 Fig 1 5 科技楼外观 1 3 2 舒适度评估准则舒适度评估准则 所谓风环境 简而言之 就算建筑物对局部的环流造成的影响 尤其是对行人活动造 成的后果 从而引起出建筑物 舒适度 的概念 在建筑物 舒适性 的评估判定中 扮 演重要角色的 无法接受的不舒适 的这一个概念 可以下述方式来定义它 在任何一个已知的设计情况下 可以预期 因为风而导致的不等程度的不舒适 参见 下表 1 视不舒服的程度 设计用途以及当地的风观测资料而会有一些不同的发生频率 次数 如果这些发生的频率 次数 被判定为过高 过多 那么这些 不舒适性 就 被认为是 无法接受 界定这个不等程度的不舒适性的最高可接受的发生频率即是通常所 说的 舒适性评估准则 具体的划分和界定详见 Tab1 1 10 和表 1 2 10 举例来说 某些地带偶尔会有很强的风力发生 但是他发生的机率不大 换言之 不 是经常发生 所以人们会觉得他可以被接受 相反的 某些地带 虽然风势不强 但是因 为他发生的频率高 人们会觉得那些敌法老是在刮风 觉得不便 会觉得不能接受 除此 之外 该地的设计使用目的也必须考虑 在所有评价准则中 经常使用到的术语有所谓的每星期一次或一月一次 这里的 一 次 代表 刮了一场风 一场风历时一般约为 1 7 2 5h 左右 同时采用的准则都是以国家 常规气象站测的风速 用风级表示 有关风速及风速可参加表 Tab1 1 第一章 计算风工程简介 Tab 1 1 风效应概要 蒲福 等级 名称风速 km h风速 m s效应 0 1无风 软风0 5 4 1 5平静 无可察觉的风 2轻 风5 8 11 91 6 3 3脸颊上感觉到风的轻拂 3微 风12 2 19 43 4 5 4轻质旗帜招展 扰动头发 衣襟飘动 4和 风19 8 28 45 5 7 9尘土扬起 纸片飞动 头发吹乱 5清 风28 8 38 58 0 10 7 身体可感觉到风力 雪被吹离地面 令人感觉愉快的地面 是风的上限 6强 风38 9 49 710 8 13 8 举伞困难 头发被吹直 稳步行走困 难 耳边的风声令人不悦 吹离地面 的飞雪超过行人高度 7疾 风50 0 61 613 9 17 1行走觉得不便 8大 风61 9 74 517 2 20 7 前行困难 在阵风中保持身体的平衡 极度困难 9烈 风74 6 87 820 8 24 4人被阵风吹倒 10狂 风81 9 102 224 5 28 4拔树 建筑物损坏 陆上不常见 注 表中风速是指空旷地面上 10m 高度的平均风速 第一章 计算风工程简介 Tab 1 2 舒适性评估准则 相对舒适性 活动性适用的区域 可容忍不舒适危险 快步人行道678 慢步公园568 短时间站立 坐 公园 广场 458 长时间站立 坐 室外餐厅 348 可接受代表性准则 1 次 1 周 1 次 1 月 1 次 1 年 注 相对舒适性标准由蒲氏风力等级表示 第二章 数值计算的网格生成 第二章第二章 数值计算的网格生成数值计算的网格生成 2 1 GAMBIT 简介简介 GAMBIT 是为了帮助分析者和设计者建立并网格化计算流体力学 CFD 模型和其它 科学应用而设计的一个软件包 GAMBIT 通过它的用户界面 GUI 来接受用户的输入 GAMBIT GUI 简单而又直接地建立模型 网格化模型 指定模型区域大小等基本步骤 GAMBIT 软件具有以下特点 1 ACIS 内核基础上的全面三维几何建模能力 通过多种方式直接建立点 线 面 体 而且具有强大的布尔运算能力 ACIS 内核已提高为 ACIS R12 该功能大大领先于其 它 CAE 软件的前处理器 2 可对自动生成的 Journal 文件进行编辑 以自动控制修改或生成新几何与网格 3 可以导入 PRO E UG CATIA SOLIDWORKS ANSYS PATRAN 等大多 数 CAD CAE 软件所建立的几何和网格 导入过程新增自动公差修补几何功能 以保证 GAMBIT 与 CAD 软件接口的稳定性和保真性 使得几何质量高 并大大减轻工程师的工 作量 4 新增 PRO E CATIA 等直接接口 使得导入过程更加直接和方便 5 强大的几何修正功能 在导入几何时会自动合并重合的点 线 面 新增几何 修正工具条 在消除短边 缝合缺口 修补尖角 去除小面 去除单独辅助线和修补倒角 时更加快速 自动 灵活 而且准确保证几何体的精度 6 G TURBO 模块可以准确而高效的生成旋转机械中的各种风扇以及转子 定子 等的几何模型和计算网格 7 强大的网格划分能力 可以划分包括边界层等 CFD 特殊要求的高质量网格 GAMBIT 中专用的网格划分算法可以保证在复杂的几何区域内直接划分出高质量的四面体 六面体网格或混合网格 8 先进的六面体核心 HEXCORE 技术是 GAMBIT 所独有的 集成了笛卡尔网格 和非结构网格的优点 使用该技术划分网格时更加容易 而且大大节省网格数量 提高网 格质量 9 居于行业领先地位的尺寸函数 Size function 功能可使用户能自主控制网格的 生成过程以及在空间上的分布规律 使得网格的过渡与分布更加合理 最大限度地满足 CFD 分析的需要 10 GAMBIT 可高度智能化地选择网格划分方法 可对极其复杂的几何区域划分 出与相邻区域网格连续的完全非结构化的混合网格 11 新版本中增加了新的附面层网格生成器 可以方便地生成高质量的附面层网格 12 可为 FLUENT POLYFLOW FIDAP ANSYS 等解算器生成和导出所需要 的网格和格式 11 2 2 GAMBIT 建模建模 本次数值模拟以深圳大学科技楼的型进行数值模拟 外围计算域 1100m 1600m 500m 建模如下 1 启动 GAMBIT 运行 GAMBIT 如 Fig2 1 所示 调整适合个人的坐标方向 选择用于进行 CFD 计算的求解器 点选 Solver FLUENT5 6 第二章 数值计算的网格生成 Fig 2 1 GAMBIT 主控画面 2 创建科技楼模型与计算域 深圳大学科技楼南北面处于不等高的平面 为方便 gambit 的建模 现作简化处理 视 科技楼的平台处于同一水平面 科技楼总高 95m 底部是一建筑平台 平台上有四个方形 的底柱 连接底柱的是 53m 高的主体建筑物 中间竖立一高为 75m 连接着建筑物平台 科技楼平台是 80m 100m 20m 连接平台和主体建筑楼的是四个相同大小的长方体柱 子 为 13m 13m 10m 而主体建筑是 53m 53m 53m 的正方体 在正 X 轴面掏去一个 55m 30m 15m 的长方体以及在正 Y 轴面掏去一个 23m 55m 23m 的长方体 在正 Z 轴方 向添加一个竖立的 23m 10m 75m 长方体 在同一坐标系下 从平台底部到竖立的长方体 按顺序建立相应大小长方体和正方体 需要运用 GAMBIT 里的 move 和 copy 功能 进行 平移和复制 建立科技楼模型如 Fig2 2 所示 Fig 2 2 科技楼的创建 经过气象局资料调查 深圳年平均风速是 2 4m s 主导风向是东北偏东风 风向频率 为 16 为研究该科技楼的风环境 取决于当最大风速经过科技楼所造成的影响 经资料 考证 深圳最大登录台风风速约为 40m s 而风向角为东北风 约 45 角 第二章 数值计算的网格生成 建立如下 Fig2 3 所示的计算域 计算域大小为 1100m 1600m 500m 科技楼模型经平 移 调整方位角 45 创建出科技楼与计算域后用 Volume 将科技楼平移至设定位置 以 字母 h 代表建筑高度 本模型的入口距建筑物迎风面约为 4h 出口距建筑物背风面约 为 11h 建筑物侧面距侧面边界约为 5h 计算域高为 5h 阻塞率为 2 2 3 12 通过布 尔运算 Subtract Real Volumes 合并计算域与科技楼 形成唯一的体 Fig 2 3 计算域与科技楼模型 3 划分网格 利用 Mesh Edges 在科技楼模型的每条 Edge 上按 Interval size 取 5m 布种子点 防止划 分的网格数量超过 gambit 软件的网格上限数量 100 万个 只能再对外围的计算域 Edge 布 Interval size 为 20m 的种子点 此时网格数量 865193 个网格 再对体布置四面体网格 此 科技楼模型全部采用四面体布网格 即对 Elements 取 Tet Hybrid Type 取 TGrid 的网格 所要注意的是在生成网格时要注意布置体网格时 需要先选择好对象体 然后再设置 Tet Hybrid 调换先后顺序会导致无法布置划分网格 Fig 2 4 网格划分 第二章 数值计算的网格生成 4 设置边界条件 网格建立完成后开始设置边界条件 在 Operation Zones Specify Boundary Type 中 设置各种边界条件点选不同的边 Edges 或面 Faces 中的形式 设置入口边界条件 inlet 和 出口边界条件 outlet 固壁 wall 和对称边界条件 symmetry 进流面 采用速度进流边界条件 velocity inlet 出流面 由于出流接近完全发展 采用完全发展出流边界条件 计算域顶部和两侧 采用对称边界条件 等价于自由滑移的壁面 建筑物表面和地面 采用无滑移的壁面条件 5 保存与输出网格文件 点击 File Export Mesh 输出 msh 文件 输入具体的保存路径即可 当输出三维网 格时不点选 Export2 D X Y Mesh 一项 点击 Save 或 Save As 则可以生成 GAMBIT 可以识别的 dbs 网格文件 此时输入完整路径即可 保存 Gambit 会话 并退出 Gambit 保存对应的 Mesh 文件 此文件是 Fluent 所需要 的网格文件 第三章 FLUENT 软件的设置 第三章第三章 FLUENT 软件的设置软件的设置 3 1 定常条件下定常条件下 FLUENT 的设置的设置 在本次的数值模拟中建立的正四面体网格 需要启动的是三维类型 即启动 FLUENT 根据网格类型选择 3d 模式 本次数值模拟对网格进行了定常流场的模拟 相关操作如 导 入网格文件 网格检查 求解器设置 设置 k 湍流模型 设置边界等 3 2 导入网格文件导入网格文件 打开 FLUENT 启动对话框选择 3d 模式 点击 File Read Case 将网格的 msh 文件导 入 3 3 网格检查网格检查 操作 Grid Check 检查网格 FLUENT 会在窗口中反馈信息 1 网格检查出 x y z 的最小和最大值 2 网格检查还将报告出网格的其他特性 比如单元的最大体积和最小体积 最大 面积和最小面积等 3 网格检查还会报告出有关网格的任何错误 特别是要求确保最小体积不能是负 值 否则 FLUENT 无法进行计算 4 本次所有网格使用默认单位 m 无需改动单位制 3 4 求解器设置求解器设置 操作 Define Model Solver 打开 Solver 对话框如 Fig3 1 所示 1 Solver 求解器 Pressure Based 基于压力求解法 Density Based 基于密度求解法 2 Formulation 算法 Implicit 隐式算法 Explicit 显示算法 3 Space 空间属性 3D 三维空间 Axisymmetric 轴对称空间 Axisymmetric Swirl 轴对称旋转空间 4 Time 时间属性 Steady 定常流动 Unsteady 非定常流动 5 Velocity Formulation 速度属性 Absolute 绝对速度 Relative 相对速度 6 保持默认设置 点击 OK 确认 第三章 FLUENT 软件的设置 Fig 3 1 求解器设置对话框 3 5 k 湍流模型设置湍流模型设置 操作 Define Models Viscous 打开 Viscous Model 对话框如 Fig3 2 所示 Inviscid 表示无黏 理想 流体 Laminar 表示层流模型 另外几个为常见的湍流模型 Fig 3 2 湍流模型选择对话框 1 选择 k 则打开 Viscous Model 设置对话框如 Fig3 3 所示 第三章 FLUENT 软件的设置 Fig 3 3 湍流模型设置对话框 2 保留默认的值 湍流模型常数 3 6 设置边界条件设置边界条件 操作 Define Boundary Condition 打开 Boundary Condition 对话框如 Fig3 4 所示 图中 Zone 栏位区域标识 Type 栏 为相应的属性 1 入口速度条件 在 Fig3 4 的 Zone 栏中选择 inlet 则在右边 Type 栏内显示其类型为 Velocity inlet 点击 Set 则打开速度边界设置对话框如 Fig3 5 所示 Fig 3 4 边界选择对话框 Fig 3 5 速度边界设置对话框 在 Velocity Specification Method 速度给定方式 下拉表中选择 Magnitude Normal to Boundary 给定速度大小 速度方向垂直于边界 第三章 FLUENT 软件的设置 在 Velocity Magnitude 入口速度 一栏输入 40 右侧栏选择 constant 常值 参 数 40m s 为深圳 50 年一遇的平均风速 在 Specification Method 湍流定义方法 一栏的下拉列表中选择 Intensity and Hydraulic Diameter 湍流强度与水力直径 在 Turbulence Intensity 湍流强度 一栏填入 5 来流的湍流强度 湍流强度简 称湍流度或湍强 是湍流强度涨落标准差和平均速度的比值 是衡量湍流强弱的相对指标 一般根据经验 在缺省参数设置取 5 在 Hydraulic Diameter 水力直径 一栏填入 687 5 水力直径 hydraulic diameter 是在管内流动 internal pipe flow 中引入的 其目的是为了给非圆管流动取 一个合适的特征长度来计算其雷诺数 四倍的湿横截面面积与湿圆周长度之商 运用公式 表达为 4A P A 表示横截面面积 P 表示为湿周周长 科技楼的计算域入口边长分别为 500m 1100m 故 A 550000m2 P 1600 所求水力直径为 687 5m 点击 OK 关闭 inlet 设置对话框 2 压力出口边界条件 在 Zone 栏内点击 outlet 再点击 Set 打开 Pressure Outlet 对话框如图 Fig3 6 所示 在 Specification Method 湍流定义方法 一栏的下拉列表中选择 Intensity and Hydraulic Diameter 湍流强度与水力直径 在 Turbulence Intensity 湍流强度 一栏填入 0 出流的湍流强度 在 Hydraulic Diameter 水力直径 一栏填入 687 5 出口的水力直径与出口的水 力直径相同 点击 OK 关闭 outlet 设置对话框 Fig 3 6 压力出口边界条件设置对话框 3 对称边界条件 在 Zone 栏内点击 symmetry 点击 Set 打开 symmetry 对话框如 Fig3 7 所示 保 持默认点击 OK 关闭 symmetry 对话框 Fig 3 7 对称边界条件设置对话框 第三章 FLUENT 软件的设置 4 固壁边界条件 在 Zone 栏内点击 wall 点击 Set 打开 wall 对话框 保持如图 Fig3 8 所示默认设 置 Fig 3 8 固壁边界条件 3 7 求解求解 1 求解控制 操作 Solve Controls Solution 打开 Solution Controls 对话框 在 Discretization 离散格式 中的 Momentum 动量 与 Turbulent Kinetic Energy 湍流动能 下拉列表中选择 First Order Upwind 一阶迎风格式 科技楼模型考虑 到收敛问题 松弛因子缩小了三倍的缺省参数 缩小松弛因子会增长 Fluent 的计算时间 但是更加的精确 更能达到收敛的精确度 设置如 Fig3 9 所示 其他选项保持默认设置 点击 OK 退出对话框 第三章 FLUENT 软件的设置 Fig 3 9 求解控制对话框 2 求解限制 操作 Solve Controls Limits 打开 Solution Limits 对话框如 Fig3 10 所示 在 Maximum Turb Viscosity Ratio 最大湍流粘度比 一栏中改为 1e 8 以防网格中 部分单元的最大湍流粘度比超出限定 Fig 3 10 求解限制对话框 3 流场初始化 操作 Solve Initialize Initialize 打开 Solution Initialize 对话框如 Fig3 11 所示 第三章 FLUENT 软件的设置 Fig 3 11 流场初始化对话框 在 Compute from 列表中选择 inlet 则表中的数据与边界 inlet 相同 点击 Init 再点击 Close 关闭初始化对话框 注意 若想查看 inlet 对应的是哪个边界 可以打开网格显示窗口 右击边界 即可在 信息反馈窗口内显示其边界的名称及数据 操作 Display Grid 点击 Display 图 Fig 3 12 残差设置对话框 4 设置残差监视窗口 操作 Solver Monitor Residual 打开 Residual Monitors 对话框如 Fig3 12 所示 将 Residual 中 continuity 所对应的 Absolute Criteria 绝对标准 由 0 001 更改为 0 0001 点击 OK 退出窗口 5 设置监视器窗口 第三章 FLUENT 软件的设置 对于建筑各个表面 所关心的是压强是否达到稳定值 为此 FLUENT 可以设置监视 器 对所关心的截面和物理量进行监测 操作 Solver Monitor Surface 打开 Surface Monitor 表面监视器 设置对话框如 Fig3 13 所示 图 Fig 3 13 表面监视器对话框 6 保存 case 文件 操作 输入文件名 点击 OK 7 开始进行迭代计算 操作 Solver Iterate 在打开的对话框 Fig3 14 中 在 Number of Iterate 迭代次数 栏内输入 1000 点击 Iterate 开始计算 8 收敛后保存 data 文件 操作 File Write Data 在 Data File 一栏填入保存路径 点击 OK 第四章 风环境评估 第四章第四章 风环境评估风环境评估 4 1 计算说明计算说明 1 计算的入口风速为 40m s 2 风压计算公式 2 1 2 wv 为空气密度 1 225kg m3 为计算面的平均风压 根据建筑结构荷载规范 w GB50009 2001 13 以下简称 规范 附表 D 4P102 页得深圳地区的 50 年一遇建筑物的风 压为 0 75kN m2 计算出基本风速约为 40m s 以下计算的入口风速均为 40m s 3 定常的计算中的 平均压力 为迭代收敛时该面的平均压力 4 2 行人高度处的风环境评估行人高度处的风环境评估 经 Fluent 后处理 建立新平面 高度为 21 5m 和 22m 行人高度 由于行人活动范围 大部分是处于建筑物平台之上 所取平面高度也就是平台 20m 上的行人高度 得出在科 技楼周边行人高度平面处在转角为 45 东北风 入口风速为 40m s 时的风速风压分布 在 Fluent 工具 表面 中的 平面 分别建立高度为 21 5m 和 22m 处的平面 经观察风速风 压分布发现 2 个平面的风速和风压变化相差不大 可取行人高度 21 5m 处平面为例 该 21 5m 表示是在科技楼平台之上行人高度的 1 5m 处 此处风速的 Y 轴平面方向风速等值线图的设置页面如下 Fig4 1 所示 为使风速等值线 图更加细腻更容易精确分析 将最高风速到最低风速的等级划分为 100 份 即图中的 等 级 参数设置为 100 导出风速风压示意图 出图如 Fig4 2 所示 Fig 4 1 等值线图设置页面 第四章 风环境评估 Fig 4 2 风速分布等值线图 如图 图示左边是台风风速在经过科技楼建筑物时 将所出现的最大风速到最低风速 的大小平均分为 100 等份 用以不同的颜色表示 在 21 5m 平面上 风以 40m s 的速度吹 向 45 角的建筑物 首先抵达科技楼平台的 21 5m 处 风