1、建筑群风场 fluent 计算分析大作业一、建筑群风场分析目的及计算模型的选取1、建筑群风场分析的目的随着城市人口的集中和建筑技术的发展， 建筑物之间的间距也变得越来越小，这些建筑物对周围环境风场的影响较大，风力载荷正成为建筑群设计中必须考虑的重要因素。风对建筑物以及建筑物周围环境的影响具体表现为以下几点：（1） 在建筑物比较密集的地方，建筑物改变了原来的风场，在相同条件下，建筑物周围的局部风速增大。（2） 风力载荷是一种随机载荷, 受建筑物高度、风向、风的强度以及持续时间的影响很大。高层建筑物周围的局部负压过大, 使得建筑物顶局部掀起或装饰玻璃破碎、脱落。（3） 建筑物的外轮廓形状一般都是非
2、流线形的, 因而流场不可避免地伴随有分离流动 、涡的脱落和振荡.这些现象会在建筑物的居室内产生严重的噪音 , 更严重时还会引起结构和流体的耦合震荡。因此，研究建筑群风场的速度分布、静压分布十分有必要。2、计算模型选择当建筑物是钝体，空气绕过钝体时的风场和绕过流线体时存在着分离流和剪切层的非定常振动，钝体周围流场十分复杂，是由撞击、分离、再附、环绕和旋涡等确定的。另外，建筑物通常建造在大气边界层内。在大气边界层中，气流质点运动杂乱无章，气流流动表现为湍流状态。湍流是由大小不同尺度的涡体叠合而成，对时间和空间都是非线性的随机运动的，因此使用湍流模型解决此问题。在湍流模型中，基于Reynolds时均
3、的Realizable K-模型能在整体上很好地反映出建筑物表面风压的变化趋势，模拟结果与试验值相差较小且计算效率高，所以选用该模型。二、计算模型设置1、边界条件选取计算流域入流处采用 FLUENT 中的速度进口边界条件（velocity-inlet ） 。边界条件用于定义在流动进口处的流动速度及相关其它标量型流动变量。该边界条件适用于不可压缩流动，对于可压缩流动问题时会使得入口处的总温度或总压有一定的波动，导致非物理结果，所以可压缩流问题不适合采用速度进口边界条件。本文为不可压缩流，可采用以 velocity-inlet 边界。需对流动速度 v、k 和 定义。设建筑物所在地形为 B 类地形，
4、其风场为 B类风场，10m 高度处、10min 平均的基本风压为 w0=0.35kPa，相应的标准高度处平均风速为 u023.7m/s ；则人口处的湍流强度 I、湍流动能 K 和湍流耗散率 的具体表达式如下；21.5()kuI；340.9l0.25.1()404zIz其中z ， 分别是流域中任意高度和对应的平均风速，z 由模型底部开始算起。 为湍流积分u l尺度，采用经验公式 。平均风速剖面、湍动能，c和耗散率 值采用Fluent0.51(3)lz提供的UDF编程与 Fluent作接口实现。出口采用完全发展出流边界条件（outflow） 。Outflow 边界条件用于出流边界上的压力或速度都未
5、知的情况，适用于出口处流动是完全发展的情况。计算流域顶部和两侧采用对称边界条件（symmetry ） ，适用于流动及传热场是对称的情况，即具有镜像对称特征。在对称轴或者是对称面上既无质量交换，又无热量等物理量的交换，在垂直对称面的方向上物理量梯度为零。可用来描述粘性流动中的自由滑移壁面。建筑物表面和地面是固定不动，不发生移动的，故采用无滑移的壁面条件（wall） ，wall 是用于限定 fluid 和 solid 区域的一种边界条件。对于粘性流体，采用粘附条件，即认为壁面处流体速度与壁面该处的速度相同，无滑移壁面的速度为零，壁面处流体速度为零。2、参考压力点选取对于不可压缩流动，由于边界条件中
6、不包括压力边界条件，必须设置一个参考压力位置。在计算流域中选一个不受建筑模型影响，并且远离流域边界的位置作为参考压力位置，FLUENT 在每次迭代后，都将整个压力场减去这个参考压力位置的压力值，从而使得所有的压力均按照参考压力位置的值来度量，压力绝对值常比相对值高几个数量级，若采用压力绝对值进行计算，则会导致计算存在较大的误差。因此我们选择点（-50，100,100）为参考点。3、求解参数的设置选择合适的离散格式能加速收敛功能，对解的精度和求解的速度起着决定性作用。一阶精度离散格式包含过多的数值耗散，对于定量分析时应该避免使用。采用高精度二阶迎风格式对动量、湍动能和湍流耗散率等进行数值离散，采
7、用高精度的离散方法进行离散能得到较高的精度，但容易导致数值计算的失稳和发散。所以在计算中必须选择较小的松弛系数。本文需要将风对建筑物的作用进行定量的分析，所以采用二阶迎风格式配合较小的松弛系数。 考虑风对建筑物的作用属于定常状态，由于 SIMPLEC 可以加快收敛速度，因而采用 SIMPLEC 算法，配合较小的欠松弛系数使用。本文进行数值模拟时，经多次尝试后，压力欠松弛系数取 0.2，其他项取 0.5。三、计算结果分析1、平均风压分布建筑群压力分布云图如下图所示压力分布云图（1）压力分布云图（2）从图中可以看到建筑物表面最大正压力为670Pa，主要出现在建筑物的迎风面；而在两矩形建筑物后侧的圆
8、柱型建筑物两侧出现最大负压，为-2190Pa，超过了迎风面的最大压力。取z=50平面的压力分布，如下图所示：z=50平面的压力分布可以看到距离圆柱形建筑表面负压大小和其与矩形建筑的距离有关，距离矩形建筑较近一侧负压更大。由此可以看出， 随着建筑物间距的减小，风载对建筑物的影响变大。2、建筑物周围风速矢量和流线分布仍以50m高度平面为例分析，其速度矢量图如下所示z=50平面的速度矢量图其对应的速度迹线图如下图所示z=50平面的速度迹线图可以看到在圆柱体建筑物后方无明显的漩涡现象，而在两矩形建筑物后方都有很明显的两个漩涡，且受后方圆柱体建筑影响导致漩涡并不对称，也同样与建筑物之间的距离有关。在矩形
9、建筑与圆柱形建筑之间气流速度大大增大，在相邻的区域存在着间隙流效应；而由于矩形建筑与空气流动方向垂直，产生屏蔽效应，直接影响了其迎风面的平均压力值。而这些漩涡与建筑物的屏蔽效应也直接影响了建筑物风载荷的分布。这也是之前圆柱形建筑物出现较高负压的原因。四、结论通过仿真我们发现，该建筑群模型在建筑物缝隙处产生的负压要大于建筑物迎风面压力，因此在考虑迎风面建筑结构加强问题的同时, 还应在建筑房屋时, 考虑到建筑物间距的影响, 不能使间距过小, 否则建筑物将受风载影响过大而发生较大变形, 进而影响到寿命。附录：UDF 自编程序 profile.c/*profile.c*/ /*UDF for spec
10、ifying steady-state velocity profile boundary condition*/ #include“udf.h“ #define zo 10.0 #define uo 23.7 #define zb 5.0 #define zg 450.0 #define tur 0.31 #define cmu 0.09 DEFINE_PROFILE(inlet_x_velocity,thread,index) real xND_ND; real z; face_t f; begin_f_loop(f,thread) F_CENTROID(x,f,thread); z=x2
11、; F_PROFILE(f,thread,index)=uo*pow(z/zo,0.16); end_f_loop(f,thread) /*PROFILE FOR KINETIC ENERGY*/ DEFINE_PROFILE(k_profile,thread,index) real xND_ND; real z,lr,um; face_t f; begin_f_loop(f,thread) F_CENTROID(x,f,thread); z=x2; if(zzb) lr=tur*pow(1.0,1.); else lr=0.1*pow(z/zg,-0.25); um=uo*pow(z/zo,
12、0.16); F_PROFILE(f,thread,index)=1.5*pow(um*lr,2.); end_f_loop(f,thread) /*PROFILE FOR DISSIPATION RATE*/ DEFINE_PROFILE(E_profile,thread,index) real xND_ND; real z,lr,um,l,k; face_t f; begin_f_loop(f,thread) F_CENTROID(x,f,thread); z=x2; if(zzb) lr=tur*pow(1.0,1.); else lr=0.1*pow(z/zg,-0.25); um=uo*pow(z/zo,0.16); k=1.5*pow(um*lr,2.); l=100*pow(z/30,0.5); F_PROFILE(f,thread,index)=pow(cmu,3/4)*pow(k,3/2)/l; end_f_loop(f,thread)
