李晓锋-建筑环境CFD模拟的问题分析

建筑环境CFD模拟的问题分析李晓锋清华大学建筑学院2011.03•计算流体动力学（CFD：ComputationalFluidDynamics）:在计算机上离散求解流体流动遵循的流体动力学方程组，幵将结果用计算机图形学技术形象直观地表示出来。•流体动力学，数值计算，计算机图形学技术的综合为何需要CFD模拟模型实验：优点：可靠，直观缺点：周期长，价格昂贵CFD模拟：优点：周期短，成本低，资料完备缺点：技术性强，不确定CFD简介3建筑周边的空气流动及温度分布建筑表面的风压系数建筑内部的空气流动及温度分布室外风、热环境模拟室内热环境模拟CFD简介建筑环境中的CFD4室外风环境模拟《生态住宅评估守则》（2003版）《绿色建筑评价标准》（GB2006）“根据当地的风玫瑰图，对风环境进行典型气象条件的模拟预测，优化规划设计方案。达到：（1）在建筑物周围行人区1.5m处风速小于5m/s；（2）冬季保证建筑物前后压差不大于5Pa；（3）夏季保证75%以上的板式建筑前后保持2Pa左右的压差，避免局部出现旋涡和死角，从而保证室内有效的自然通风。”室外风环境的评价和优化设计的具体要求5冲刷边角增强效应穿越前低建筑对后高建筑的影响巷道风的加强上部建筑对下部建筑的影响冲刷边角增强效应穿越前低建筑对后高建筑的影响巷道风的加强上部建筑对下部建筑的影响CFD模拟建筑周围空气流动被广泛采用，但目前却缺乏一个被普遍接受的标准设定。AIJ和COST给出的推荐设定由于追求的精度高使得计算量很大，在工程应用中难以做到。针对这个问题，通过文献研究和数值实验验证，提出一套满足工程应用精度要求的建议设定。CFD室外风环境模拟的设定6室外风环境模拟迎风堵塞度的要求迎风堵截度＝模型截面积/迎风面计算区域截面积要求:迎风堵截度应丌大于4%cccwindcasec堵截度/％回流区长度13b5.70.6b24b3.72.4b36b1.92.4b410b0.82.4b室外风环境模拟=0,X/b=200.511.522.533.54-2-10123456Experiment5b10b15b20b30b丌同计算区域长度的影响6bdz/bu1sv建筑后边界到出口距离至少为6倍的计算回流区长度入口到建筑边界距离为建筑后距离的2/3cased回流区长度15b2.3b210b2.4b315b2.4b420b2.4b530b2.4b室外风环境模拟丌同网格数量的比较建筑物划分网格10以上再加密模拟结果相差不多U1:Y=0,X/b=200.511.522.533.54-2-10123456z/bExperiment网格3网格5网格10网格20网格30z/bSV:Y=0,X/b=200.511.522.533.540123456EXPERIMENT网格3网格5网格10网格20网格30case建筑物划分网格尾流区长度131.2b252.3b3102.4b4202.4b5302.4b室外风环境模拟其他区域长宽比对结果影响丌大，网格长宽比小于25case边界长宽比尾流区长度11.52.4b232.4b3102.4b4252.4b5302.3b室外风环境模拟丌同壁面函数的比较布拉休斯公式（Blasius）•布拉休斯公式通常仅在Re105的范围内适用，对于低速管道流动的预报具有较高的精确度对数律（Log-law）•对数律假定湍流局部守恒，是求解湍流近壁速度分布的最一般方式通用对数律（General-log-law）•对于分离流（譬如突扩流动），由于存在着明显的相对于壁面的湍流能量扩散，需要采用通用对数律来计算非局部守恒的情况。完全粗糙对数律（Fully-rough）•主要用于计算空气边界层，如风吹过森林草地的传热传质情况等室外风环境模拟丌同壁面函数的比较壁面函数Fully-rough模拟结果和实验结果最接近SV:Y=0,X/b=200.511.522.533.540123456EXPERIMENTGenerallog-lowLog-lowBlaiusFully-roughU1:Y=0,X/b=200.511.522.533.54-2-10123456ExperimentGenerallog-lowLog-lowBlaiusFully-roughcase壁面函数尾流区长度1Generallog-low2.4b2Log-low2.1b3Blaius2.4b4Fully-rough2.1b室外风环境模拟中心差分有条件稳定在不发生振荡的参数范围内，可以获得较准确的的结果2一阶迎风有绝对稳定当P△较大时假扩散较严重，虽然所得之解在物理上是可以接受的。在过去几十年中得到广泛应用，如作为最终结果的格式应采用较细密的网格3二阶迎风有绝对稳定一般说准确性较一阶迎风高，但仍有一定假扩散作用4混合格式有绝对稳定当P△≤2时情况同中心差分，当P△＞2时，情况与一阶迎风差分相仿，假扩散较显著5乘方格式(指数格式)有绝对稳定对有非常数源项的场合，当P△较高时有较大的误差。过去20余年中得到广泛的采用6QUICK有条件稳定可以减少假扩散误差，在近年来已得到较普遍的应用，有可能发展成为这一时期内的主导格式室外风环境模拟总结---工程普通要求设定的建议迎风截面建筑堵截度≤4%建筑到各边界距离要求建筑到计算区域上边界距离大于两倍建筑高度到出口距离至少为6倍的回流区长度（约等于建筑高度）到进口距离为到出口距离的2/3建筑物网格划分≥10建筑周边区域网格长宽比丌大于1.5，在其他区域网格长宽比对计算结果影响很小壁面函数选择Fully-rough(最好分别设定,地面采用Fully-rough，建筑表面采用General-log-law)差分格式采用quick室外风环境模拟模拟应用：小区风环境不自然通风分析CFD模拟实例1：建筑室外风环境模拟CFD模拟实例2：建筑表面风压模拟北京地区风玫瑰图室外风环境模拟冬季风环境分析判断：冬季行人高度处的风速丌大于国家标准觃定的5m/s的限值。行人高度处速度分布矢量图实例1：北京某建筑小区室外风环境模拟室外风环境模拟冬季风环境分析•计算结果表明，冬季大部分建筑前后压差不超过5Pa，满足《绿色建筑评价标准》•不满足区域可以采用种植高大乔木等方式减小冬季渗风对采暖负荷的影响冬季不同高处压力分布云图H=5mH=10mH=15mH=20m室外风环境模拟实例1：北京某建筑小区室外风环境模拟夏季风环境分析•可以看出，夏季行人高度处的风速丌大于国家标准觃定的5m/s的限值。行人高度处速度分布矢量图室外风环境模拟实例1：北京某建筑小区室外风环境模拟夏季风环境分析•可以看出，夏季大部分建筑前后压差超过2Pa，有利于建筑自然通风。夏季不同高处压力分布云图H=5mH=10mH=15mH=20m室外风环境模拟实例1：北京某建筑小区室外风环境模拟结论小区风环境分析•小区内行人高度处的风速不大于国家标准规定的5m/s的限值，不会出现再生风或者二次风风速过高而威胁到行人的安全或者导致行人行走困难的情况。自然通风效果分析•经模拟计算发现，大部分建筑冬季前后压差不超过5Pa，能够避免冬季渗风；夏季建筑前后压差超过2Pa，可促进夏季自然通风。室外风环境模拟实例1：北京某建筑小区室外风环境模拟：建筑表面风压模拟体育馆外风环境体育馆外形室外风环境模拟体育馆外风环境体育馆CAD模型和梯度风从CAD引入的模型梯度风28.00)10(yvv室外风环境模拟实例2：建筑表面风压模拟体育馆外风环境模拟结果（PHOTON）速度矢量图梯度风实例2：建筑表面风压模拟室外风环境模拟体育馆外风环境：模拟结果压力等高图实例2：建筑表面风压模拟室外风环境模拟人工排热日射不透水地面（歩道）自由水面屋上绿化日射通风水蒸汽水蒸汽水蒸汽水蒸汽对流日射汚染物人工排热2.温度输运方程（显热）3.(水蒸汽输送方程式))5.辐射热传导（长波、短波）4.汚染物輸送方程式汚染物1.动量输运方程6人体模型热平衡式7.壁面地面的　热传导方程式8.地表显热潜热的平衡式风26热环境模拟热环境模拟对流，辐射，导热，传质过程的联合求解空气流动：•提供多种模型选择•考虑树木对流动的影响辐射模拟•GebhartandMenteCarlomethod•Directexchangearea(DEA)地表和建筑表面热平衡模拟•反应系数法（李晓锋）植物热湿模型水景热湿模型耦合模拟方法27的最主要要求•快速模拟得到准确合理的结果影响模拟结果准确及模拟速度快慢的最主要因素•送风口边界条件的描述（风口模型）、湍流模拟以及边界条件的设定现状不问题•CFD模拟基本要素的设定目前都凭计算人员的理论基础和模拟经验确定，因缺乏统一的标准而降低了其结果的可靠性需解决问题•有必要提出一套完善的的标准要素设定来作为模拟的指导湍流模型湍流数值模拟准确一般耗时，快速丌一定准确推荐采用RNGk-ε模型•ε方程中多出一项，显著改进快应变流动的计算精度•包含了漩流对湍流的影响，提高了漩涡流动的计算精度精度要求丌高时推荐MIT零方程模型•对于大型问题可大大节省计算量室内热环境模拟风口模型（进风口边界条件）出风方向单一，可以简单描述的风口适用出风方向复杂，难以描述的风口适用室内热环境模拟室内热环境模拟回风口（出风口）边界条件一个回风口：指定压力，等于外界压力多个回风口：指定回风量，参考对应区域的进风口风量进行确定壁面边界条件-速度边界条件围护结构等壁面，对于粘性流体，一般采用粘附条件，即认为壁面处流体速度不壁面该处的速度相同。当壁面是固定的，流体速度就为零室内热环境模拟壁面边界条件-温度边界条件丌透光围护结构•最常见的方法是给出内壁面表面温度及内表面对流换热系数•第二种方式是给出壁面处的热流量大小（外墙的内壁面温度和热流量的大小可以由DeST进行全年负荷的计算得到）•第三种方式是给定围护结构的总传热系数和室外空气温度，在准稳态传热的条件下计算得到室内热环境模拟壁面边界条件-温度边界条件透明围护结构•认为透过玱璃窗的太阳辐射能丌管在室内固体壁面有多少次反射，最终都将转化为空