深圳大學(xué)科技樓的風(fēng)環(huán)境數(shù)值模擬(編輯修改稿)

　

【文章內(nèi)容簡介】 熱是周期性重復(fù)的，那么可以采用周期性邊界條件。FLUENT 提供了兩種類型：一類是流體經(jīng)過周期性重復(fù)后沒有壓降（ cyclic） ；另外一類有壓降（periodic） 。（13）固壁邊界（wall） 。對于黏性流動問題，F(xiàn)LUENT 默認設(shè)置是壁面無滑移條件。對于壁面有平移運動或者旋轉(zhuǎn)運動時，可以指定壁面切向速度分量，也可以計算壁面切應(yīng)力和雨流體換熱情況。壁面熱邊界條件包括固定熱通量、固定溫度、對流換熱系數(shù)、外部輻射換熱、外部輻射換熱與對流換熱等 [9]。 風(fēng)環(huán)境介紹 深圳大學(xué)科技樓概況深圳大學(xué)科技樓是深圳大學(xué)新建的標志性建筑，也是目前深圳大學(xué)最高的建筑物，總建筑面積 41000 平方米，總投資 億元，整個建筑由 15 層主體建筑與總高 米的中央交通廳塔樓兩部分組成，主要用作學(xué)校的 7 個新興學(xué)科的重點實驗室、電化教學(xué)中心、學(xué)術(shù)交流中心、專家研究生用房等。深圳大學(xué)科技樓是一平躺一豎立的兩個淺灰色方盒子，簡潔、質(zhì)樸、大方、平和。水平盒子露出地面兩層，順著坡地還有一個半地下的設(shè)備、停車用房；上面立著的盒子有十六層高，中央部分升起的是電梯間——電梯間實際上構(gòu)成一個“交通核” ，它在視覺上和功能上都將兩個盒子串了起來。立著的盒子在中腰部分有局部掏空。所以這座樓的幾何構(gòu)成是這樣的：一個扁平方盒上立一個垂直方盒，垂直方盒子內(nèi)部是鏤空的，四面都開了大洞，一豎立長方體一貫到底，模型外觀如下圖 。第一章 計算風(fēng)工程簡介Fig 科技樓外觀 舒適度評估準則所謂風(fēng)環(huán)境，簡而言之，就算建筑物對局部的環(huán)流造成的影響，尤其是對行人活動造成的后果，從而引起出建筑物“舒適度”的概念。在建筑物“舒適性”的評估判定中，扮演重要角色的“無法接受的不舒適”的這一個概念，可以下述方式來定義它：在任何一個已知的設(shè)計情況下，可以預(yù)期，因為風(fēng)而導(dǎo)致的不等程度的不舒適（參見下表 1） ，視不舒服的程度、設(shè)計用途以及當(dāng)?shù)氐娘L(fēng)觀測資料而會有一些不同的發(fā)生頻率（次數(shù)） 。如果這些發(fā)生的頻率（次數(shù)）被判定為過高（過多） ，那么這些“不舒適性”就被認為是“無法接受” 。界定這個不等程度的不舒適性的最高可接受的發(fā)生頻率即是通常所說的“舒適性評估準則” ，具體的劃分和界定詳見 [10]和表 [10]。舉例來說，某些地帶偶爾會有很強的風(fēng)力發(fā)生，但是他發(fā)生的機率不大（換言之，不是經(jīng)常發(fā)生） ，所以人們會覺得他可以被接受。相反的，某些地帶，雖然風(fēng)勢不強，但是因為他發(fā)生的頻率高，人們會覺得那些敵法老是在刮風(fēng)，覺得不便，會覺得不能接受。除此之外，該地的設(shè)計使用目的也必須考慮。在所有評價準則中，經(jīng)常使用到的術(shù)語有所謂的每星期一次或一月一次，這里的“一次”代表“刮了一場風(fēng)” ，一場風(fēng)歷時一般約為 ~ 左右。同時采用的準則都是以國家常規(guī)氣象站測的風(fēng)速，用風(fēng)級表示。有關(guān)風(fēng)速及風(fēng)速可參加表 .。第一章 計算風(fēng)工程簡介Tab 風(fēng)效應(yīng)概要蒲福等級 名稱 風(fēng)速 km/h 風(fēng)速 m/s 效應(yīng)0，1 無風(fēng)軟風(fēng) 0~ 平靜，無可察覺的風(fēng)2 輕 風(fēng) ~ ~ 臉頰上感覺到風(fēng)的輕拂3 微 風(fēng) ~ ~ 輕質(zhì)旗幟招展，擾動頭發(fā)，衣襟飄動4 和 風(fēng) ~ ~ 塵土揚起，紙片飛動，頭發(fā)吹亂5 清 風(fēng) ~ ~ 身體可感覺到風(fēng)力，雪被吹離地面， 令人感覺愉快的地面，是風(fēng)的上限6 強 風(fēng) ~ ~ 舉傘困難，頭發(fā)被吹直，穩(wěn)步行走困難，耳邊的風(fēng)聲令人不悅，吹離地面的飛雪超過行人高度7 疾 風(fēng) ~ 行走覺得不便8 大 風(fēng) ~ – 前行困難，在陣風(fēng)中保持身體的平衡 極度困難9 烈 風(fēng) ~ – 人被陣風(fēng)吹倒10 狂 風(fēng) ~ – 拔樹，建筑物損壞，陸上不常見注：表中風(fēng)速是指空曠地面上 10m 高度的平均風(fēng)速第一章 計算風(fēng)工程簡介Tab 舒適性評估準則相對舒適性活動性 適用的區(qū)域可容忍 不舒適 危險快步 人行道 6 7 8慢步 公園 5 6 8短時間站立，坐 公園，廣場4 5 8長時間站立，坐 室外餐廳3 4 8可接受代表性準則 1 次 /1 周 1 次 /1 月 1 次/1 年注：相對舒適性標準由蒲氏風(fēng)力等級表示第二章 數(shù)值計算的網(wǎng)格生成第二章 數(shù)值計算的網(wǎng)格生成 GAMBIT 簡介GAMBIT 是為了幫助分析者和設(shè)計者建立并網(wǎng)格化計算流體力學(xué)（ CFD）模型和其它科學(xué)應(yīng)用而設(shè)計的一個軟件包。GAMBIT 通過它的用戶界面（GUI ）來接受用戶的輸入。GAMBIT GUI 簡單而又直接地建立模型、網(wǎng)格化模型、指定模型區(qū)域大小等基本步驟。GAMBIT 軟件具有以下特點：（1） ACIS 內(nèi)核基礎(chǔ)上的全面三維幾何建模能力，通過多種方式直接建立點、線、面、體，而且具有強大的布爾運算能力，ACIS 內(nèi)核已提高為 ACIS R12。該功能大大領(lǐng)先于其它 CAE 軟件的前處理器；　　（2） 可對自動生成的 Journal 文件進行編輯，以自動控制修改或生成新幾何與網(wǎng)格；　　（3） 可以導(dǎo)入 PRO/E、UG、CATIA、SOLIDWORKS、ANSYS、PATRAN 等大多數(shù) CAD/CAE 軟件所建立的幾何和網(wǎng)格。導(dǎo)入過程新增自動公差修補幾何功能，以保證GAMBIT 與 CAD 軟件接口的穩(wěn)定性和保真性，使得幾何質(zhì)量高，并大大減輕工程師的工作量；　　（4） 新增 PRO/E、CATIA 等直接接口， 使得導(dǎo)入過程更加直接和方便；　　（5） 強大的幾何修正功能，在導(dǎo)入幾何時會自動合并重合的點、線、面；新增幾何修正工具條，在消除短邊、縫合缺口、修補尖角、去除小面、去除單獨輔助線和修補倒角時更加快速、自動、靈活，而且準確保證幾何體的精度；　　（6） G/TURBO 模塊可以準確而高效的生成旋轉(zhuǎn)機械中的各種風(fēng)扇以及轉(zhuǎn)子、定子等的幾何模型和計算網(wǎng)格；　　（7） 強大的網(wǎng)格劃分能力，可以劃分包括邊界層等 CFD 特殊要求的高質(zhì)量網(wǎng)格。GAMBIT 中專用的網(wǎng)格劃分算法可以保證在復(fù)雜的幾何區(qū)域內(nèi)直接劃分出高質(zhì)量的四面體、六面體網(wǎng)格或混合網(wǎng)格；　　（8） 先進的六面體核心(HEXCORE)技術(shù)是 GAMBIT 所獨有的，集成了笛卡爾網(wǎng)格和非結(jié)構(gòu)網(wǎng)格的優(yōu)點，使用該技術(shù)劃分網(wǎng)格時更加容易，而且大大節(jié)省網(wǎng)格數(shù)量、提高網(wǎng)格質(zhì)量；　　（9） 居于行業(yè)領(lǐng)先地位的尺寸函數(shù)（Size function）功能可使用戶能自主控制網(wǎng)格的生成過程以及在空間上的分布規(guī)律，使得網(wǎng)格的過渡與分布更加合理，最大限度地滿足CFD 分析的需要；　　（10） GAMBIT 可高度智能化地選擇網(wǎng)格劃分方法，可對極其復(fù)雜的幾何區(qū)域劃分出與相鄰區(qū)域網(wǎng)格連續(xù)的完全非結(jié)構(gòu)化的混合網(wǎng)格；（11） 新版本中增加了新的附面層網(wǎng)格生成器，可以方便地生成高質(zhì)量的附面層網(wǎng)格；（12）可為 FLUENT、POLYFLOW、 FIDAP、ANSYS 等解算器生成和導(dǎo)出所需要的網(wǎng)格和格式 [11]。 GAMBIT 建模本次數(shù)值模擬以深圳大學(xué)科技樓的型進行數(shù)值模擬，外圍計算域1100m*1600m*500m，建模如下：（1） 啟動 GAMBIT運行 GAMBIT 如 所示，調(diào)整適合個人的坐標方向。選擇用于進行 CFD 計算的求解器，點選 Solver—FLUENT5/6。第二章 數(shù)值計算的網(wǎng)格生成Fig GAMBIT 主控畫面（2） 創(chuàng)建科技樓模型與計算域深圳大學(xué)科技樓南北面處于不等高的平面，為方便 gambit 的建模，現(xiàn)作簡化處理，視科技樓的平臺處于同一水平面，科技樓總高 95m，底部是一建筑平臺，平臺上有四個方形的底柱，連接底柱的是 53m 高的主體建筑物，中間豎立一高為 75m 連接著建筑物平臺。科技樓平臺是 80m*100m*20m，連接平臺和主體建筑樓的是四個相同大小的長方體柱子，為 13m*13m*10m，而主體建筑是 53m*53m*53m 的正方體，在正 X 軸面掏去一個55m*30m*15m 的長方體以及在正 Y 軸面掏去一個 23m*55m*23m 的長方體，在正 Z 軸方向添加一個豎立的 23m*10m*75m 長方體。在同一坐標系下，從平臺底部到豎立的長方體，按順序建立相應(yīng)大小長方體和正方體，需要運用 GAMBIT 里的 move 和 copy 功能，進行平移和復(fù)制，建立科技樓模型如 所示。 Fig 科技樓的創(chuàng)建經(jīng)過氣象局資料調(diào)查，深圳年平均風(fēng)速是 ，主導(dǎo)風(fēng)向是東北偏東風(fēng)，風(fēng)向頻率為 16%。為研究該科技樓的風(fēng)環(huán)境，取決于當(dāng)最大風(fēng)速經(jīng)過科技樓所造成的影響。經(jīng)資料考證，深圳最大登錄臺風(fēng)風(fēng)速約為 40m/s，而風(fēng)向角為東北風(fēng)，約 45176。角。第二章 數(shù)值計算的網(wǎng)格生成建立如下 所示的計算域，計算域大小為 1100m*1600m*500m，科技樓模型經(jīng)平移，調(diào)整方位角 45176。，創(chuàng)建出科技樓與計算域后用 Volume 將科技樓平移至設(shè)定位置，以字母“h”代表建筑高度，本模型的入口距建筑物迎風(fēng)面約為 4h，出口距建筑物背風(fēng)面約為 11h，建筑物側(cè)面距側(cè)面邊界約為 5h，計算域高為 5h，阻塞率為 %3%[12]，通過布爾運算 Subtract Real Volumes 合并計算域與科技樓，形成唯一的體。Fig 計算域與科技樓模型（3） 劃分網(wǎng)格利用 Mesh Edges 在科技樓模型的每條 Edge 上按 Interval size 取 5m 布種子點，防止劃分的網(wǎng)格數(shù)量超過 gambit 軟件的網(wǎng)格上限數(shù)量 100 萬個，只能再對外圍的計算域 Edge 布Interval size 為 20m 的種子點，此時網(wǎng)格數(shù)量 865193 個網(wǎng)格。再對體布置四面體網(wǎng)格，此科技樓模型全部采用四面體布網(wǎng)格，即對 Elements 取 Tet/Hybrid，Type 取 TGrid 的網(wǎng)格。所要注意的是在生成網(wǎng)格時要注意布置體網(wǎng)格時，需要先選擇好對象體，然后再設(shè)置Tet/Hybrid，調(diào)換先后順序會導(dǎo)致無法布置劃分網(wǎng)格。Fig 網(wǎng)格劃分第二章 數(shù)值計算的網(wǎng)格生成（4） 設(shè)置邊界條件網(wǎng)格建立完成后開始設(shè)置邊界條件，在 Operation—Zones—Specify Boundary Type 中設(shè)置各種邊界條件點選不同的邊 Edges 或面 Faces 中的形式。設(shè)置入口邊界條件（inlet ）和出口邊界條件（outlet） ，固壁（wall ）和對稱邊界條件（ symmetry） 。進流面：采用速度進流邊界條件（velocityinlet） 。出流面：由于出流接近完全發(fā)展，采用完全發(fā)展出流邊界條件。計算域頂部和兩側(cè)：采用對稱邊界條件，等價于自由滑移的壁面。建筑物表面和地面：采用無滑移的壁面條件。（5） 保存與輸出網(wǎng)格文件點擊 File—Export—Mesh…輸出 msh 文件，輸入具體的保存路徑即可，當(dāng)輸出三維網(wǎng)格時不點選 Export2—D（X—Y ）Mesh 一項。點擊 Save 或 Save As 則可以生成 GAMBIT可以識別的 dbs 網(wǎng)格文件，此時輸入完整路徑即可。保存 Gambit 會話，并退出 Gambit，保存對應(yīng)的 Mesh 文件，此文件是 Fluent 所需要的網(wǎng)格文件。第三章 FLUENT 軟件的設(shè)置第三章 FLUENT 軟件的設(shè)置 定常條件下 FLUENT 的設(shè)置在本次的數(shù)值模擬中建立的正四面體網(wǎng)格，需要啟動的是三維類型，即啟動 FLUENT根據(jù)網(wǎng)格類型選擇 3d 模式，本次數(shù)值模擬對網(wǎng)格進行了定常流場的模擬。相關(guān)操作如：導(dǎo)入網(wǎng)格文件、網(wǎng)格檢查、求解器設(shè)置、設(shè)置 kε 湍流模型、設(shè)置邊界等。 導(dǎo)入網(wǎng)格文件打開 FLUENT 啟動對話框選擇 3d 模式，點擊 FileReadCase…將網(wǎng)格的 msh 文件導(dǎo)入。 網(wǎng)格檢查操作：Grid—Check 檢查網(wǎng)格FLUENT 會在窗口中反饋信息。（1) 網(wǎng)格檢查出 x、y、z 的最小和最大值；（2) 網(wǎng)格檢查還將報告出網(wǎng)格的其他特性，比如單元的最大體積和最小體積、最大面積和最小面積等。（3) 網(wǎng)格檢查還會報告出有關(guān)網(wǎng)格的任何錯誤，特別是要求確保最小體積不能是負值，否則 FLUENT 無法進行計算；（4) 本次所有網(wǎng)格使用默認單位 m，無需改動單位制。 求解器設(shè)置操作：Define—Model—Solver…打開“Solver”對話框如 所示。（1) Solver 求解器。Pressure Based 基于壓力求解法；Density Based 基于密度求解法；（2) Formulation 算法。Implicit 隱式算法；Explicit 顯示算法；（3) Space 空間屬性。3D 三維空間； Axisymmetric 軸對稱空間。Axisymmetric Swirl軸對稱旋轉(zhuǎn)空間；（4) Time 時間屬性。Steady 定常流動；Unsteady 非定常流動；（5) Velocity Formulation 速度屬性。Absolute 絕對速度。Relative 相對速度。（6) 保持默認設(shè)置，點擊 OK 確認第三章 FLUENT 軟件的設(shè)置Fig 求解器設(shè)置對話框 kε 湍流模型設(shè)置操作：Define—Models—Viscous…打開“Viscous Model”對話框如 所示。Inviscid 表示無黏（理想）流體； Laminar表示層流模型；另外幾個為常見的湍流模型Fig 湍流模型選擇對話框（1) 選擇 kε，則打開“Viscous Model” 設(shè)置對話框如 所示：第三章 FLUENT 軟件的設(shè)置Fig 湍流模型設(shè)置對話框（2）保留默認的值（湍流模型常數(shù)） 。