1.引言

隨著現(xiàn)代計算機并行計算能力飛速提升以及眾多CFD軟件日益成熟，數(shù)值風洞得到了越來越多城市規(guī)劃、建筑設(shè)計和結(jié)構(gòu)工程領(lǐng)域?qū)W者和工程師的青睞。數(shù)值風洞方法，即利用計算流體動力學方法在計算機中模擬建筑結(jié)構(gòu)附近流場，從而確定建筑周圍流場以及表面風效應(yīng)。該方法具有試驗條件易于控制、可進行足尺模擬以及試驗成本較低等明顯優(yōu)勢。但由于實際建筑為典型鈍體，其流場特征涉及到復(fù)雜三維流動和高雷諾數(shù)等湍流問題，其計算結(jié)果受CFD算法、網(wǎng)格模型以及邊界入口處理等用戶設(shè)置參數(shù)影響，往往需要軟件使用者擁有扎實CFD理論基礎(chǔ)和實際工程實踐經(jīng)驗。

 

根據(jù)CFD計算原理的不同，實際工程應(yīng)用中主要出現(xiàn)了以有限體積法、格子Boltzman、光滑粒子流體動力學SPH以及分子動力學模擬的大量CFD軟件。在建筑風工程計算領(lǐng)域，國內(nèi)外主要基于以有限體積法為代表的系列軟件，開展了大量關(guān)于城市風氣候環(huán)境模擬的數(shù)值驗證和技術(shù)指南研究[1-4]。然而，由于有限體積法的局限性，近年來國內(nèi)外學者開展了基于格子Boltzman方法的建筑數(shù)值風洞研究工作[6-8]。

 

基于格子玻爾茲曼方法XFlow軟件能夠適應(yīng)不同計算對象的復(fù)雜幾何特性，具有高效的計算效率和良好的并行性，被廣泛應(yīng)用于航空航天、海洋工程和車輛工程等領(lǐng)域[9]。然而，目前國內(nèi)基于XFlow開展的建筑工程仿真分析案例積累較少、缺少建筑數(shù)值風洞數(shù)值標定工作等原因，限制了XFlow在建筑領(lǐng)域風工程相關(guān)問題的應(yīng)用。

 

本文基于單體標準建筑風洞試驗?zāi)Ｐ偷娘L環(huán)境測試結(jié)果，開展XFlow建筑數(shù)值風洞數(shù)值標定工作，詳細介紹了XFlow建筑數(shù)值風洞的計算域設(shè)置、網(wǎng)格劃分策略、大渦模擬求解參數(shù)設(shè)置等，同時通過設(shè)置多個算例分析湍流模型、壁面函數(shù)模型以及湍流初始化等多因素對計算結(jié)果的影響，總結(jié)了XFlow軟件使用特點，為XFlow在建筑數(shù)值風洞的工程實踐應(yīng)用提供了技術(shù)參考。

 

2.建筑數(shù)值風洞模擬設(shè)置

2.1計算域設(shè)置

基于新一代計算流體力學軟件XFlow，針對單體標準建筑模型（1:1:2）建立建筑數(shù)值風洞模型。建筑尺寸取0.16*0.16*0.32m（寬度記為b）。確定計算域范圍如圖1所示，高度方向取4倍建筑高度（H），水平寬度取5倍建筑物高度（H），迎風面距入口4.5倍建筑物高度，背風面距出口10倍建筑物高度以保證湍流的充分發(fā)展，且能避免出口邊界的回流。模型阻塞率小于3%，符合建筑數(shù)值風洞的計算要求。

 

 

圖1單體建筑數(shù)值風洞計算域示意圖

 

計算域網(wǎng)格及建筑表面網(wǎng)格劃分基于XFlow多層格子加密技術(shù)，即采用不同尺寸精度的格子結(jié)構(gòu)進行空間離散化，過程主要分為背景計算域網(wǎng)格劃分、建筑表面網(wǎng)格加密以及加密區(qū)網(wǎng)格設(shè)置三個步驟。1）確定全局計算域網(wǎng)格基本尺寸dx為0.08m（0.5b）；2）建筑表面采用靠近壁面細化方式，最小網(wǎng)格尺寸設(shè)置為b/32，然后XFlow將從建筑表面最小分辨率開始逐漸增大2倍，以接近全局計算域基本尺度分辨率，形成格子的八叉樹結(jié)構(gòu)，即以2的倍數(shù)因子來適應(yīng)空間和時間尺度。3）采用兩層矩形盒對建筑周圍空間進行局部加密，以捕捉更多流場信息。最外層加密盒的尺寸范圍取2.2*0.6*1m，求解格子尺寸設(shè)置為b/4，最內(nèi)層加密盒尺寸范圍為1.14*0.4*0.64，求解格子尺寸設(shè)置為b/8。為了避免不同網(wǎng)格精度區(qū)域的邊界處流場信息不連續(xù)現(xiàn)象，在兩個晶格層邊界重疊處引入緩沖區(qū)，設(shè)置緩沖區(qū)長度為2，同時設(shè)置設(shè)置過渡晶格層的細化過渡長度為6。建筑表面網(wǎng)格劃分示意圖如圖2所示。

 

 

圖2建筑表面網(wǎng)格劃分示意圖

 

綜合考慮計算成本和精度，采用三種不同網(wǎng)格精度模型進行網(wǎng)格敏感性分析，即最小網(wǎng)格精度分別設(shè)置為b/32,b/16和b/64，最終劃分的網(wǎng)格數(shù)為57萬，29.8萬和141萬。

 

2.2求解參數(shù)設(shè)置

本文所有CFD算例均基于2020xLinux版本，采用小型工作站CPU并行計算，每個計算工況的并行核數(shù)取16核。XFlow計算求解參數(shù)如表1所示，計算內(nèi)核設(shè)置為3D模式，采用單相流模型，計算域流場設(shè)置為外流域，其余Engine設(shè)置保持為默認；采用WALE湍流模型進行XFlow大渦模擬計算，Cw取0.325,，湍流生成辦法設(shè)置為custom。

 

通過預(yù)先模擬生成初始時刻的湍流結(jié)構(gòu)，確定自定義初始湍流尺度為0.8m（10*dx），諧波數(shù)量設(shè)置為10000。一般諧波數(shù)量越多，求解的湍流越精細，但諧波數(shù)量過多會增加計算成本。由于一般建筑工程中風速較小，通常假定為不可壓縮流體，故開啟incomprehensiblemodel選項，其他設(shè)置保持默認。

 

表1XFlow計算求解參數(shù)設(shè)置

 

 

 

LBM大渦模擬計算結(jié)果受多種參數(shù)影響，進行實際建筑結(jié)構(gòu)關(guān)注的流場特性計算分析時需要慎重選擇相關(guān)計算參數(shù)。本文總結(jié)了表2中9個算例結(jié)果，目的在于分析不同網(wǎng)格精度、初始湍流尺度、湍流模型以及壁面函數(shù)等常見參數(shù)對建筑風環(huán)境模擬結(jié)果影響。如算例1~3僅考慮不同的網(wǎng)格精度，保持湍流初始化生產(chǎn)、湍流模型以及壁面函數(shù)不變；設(shè)置算例1、4、5對比不同湍流模型；XFlow的壁面函數(shù)包含resolved、Enhancedwallfunction、非平衡Enhancedwallfunction和free-slip邊界條件，本文參考計算風工程已有研究成果，一般建筑表面不采用free-slip邊界，僅設(shè)置算例1、6、7進行對比；算例1、8、9僅調(diào)整了不同的初始湍流尺度，如算例7的initialturbulencescale考慮為0.8m（10倍的計算域網(wǎng)格尺度）。

 

表2考慮參數(shù)敏感性分析的設(shè)置算例匯總

 

 

2.3邊界條件設(shè)置

建筑物所處的大氣邊界層內(nèi)的風速具有脈動特性，一般建筑風工程中要求CFD非穩(wěn)態(tài)分析時需要在遠處來流邊界上生成符合大氣邊界層脈動風速特征的風場。根據(jù)建筑結(jié)構(gòu)荷載規(guī)范（GB50009-2012），不同地面粗糙度類型對應(yīng)不同的平均風速剖面和湍流強度特征公式。入口剖面平均風速Uz和湍流度Iz采用指數(shù)規(guī)律公式：

 

 

 

式中U10為10米高度參考風速，α為不同地面粗糙度類型對應(yīng)的指數(shù)系數(shù)，I10為10米高度湍流強度。表3列出了中國規(guī)范中風剖面相關(guān)參數(shù)。

 

表3中國規(guī)范指定的風剖面參數(shù)

 

 

在實際應(yīng)用中，XFlow軟件同時支持公式定義和數(shù)據(jù)插值兩種方式，指定入口邊界物理量隨高度的變化規(guī)律。本文為了與風洞試驗風環(huán)境測試結(jié)果對比，采用同風洞試驗一樣的入口邊界條件，即通過數(shù)據(jù)插值方式將圖3規(guī)律數(shù)據(jù)讀寫入XFlow入口邊界。計算域采用虛擬風洞模式，初始化條件選擇默認，建筑數(shù)值風洞邊界條件設(shè)置如表4所示。

 

 

圖3風洞試驗入口風速和湍流動能邊界條件

 

表4基于XFlow的建筑數(shù)值風洞邊界條件設(shè)置

 

 

2.4測點布置

建筑周圍測點平面布置圖及測點編號順序如圖4所示。0.125b和1.25b高度處分別布置60個測點，建筑中間立面位置布置66個測點。風洞試驗對每個測點的風速時程進行了詳細記錄，并給出了每個測點位置的平均風速和湍流動能強度。本文基于該風洞試驗結(jié)果，對XFlow大渦模擬結(jié)果的建筑風環(huán)境平均風速和湍流動能進行詳細對比驗證分析。

 

 

（a）0.125b和1.25b高度截面

 

 

（b）中間截面位置的測點布置

圖4單體建筑周圍測點布置示意圖

 

3.風環(huán)境模擬結(jié)果對比驗證

3.1網(wǎng)格敏感性分析

采用了三個不同網(wǎng)格精度的CFD模型進行網(wǎng)格無關(guān)性驗證。三個算例的全局計算域網(wǎng)格基本尺寸dx均為0.08m，網(wǎng)格劃分策略相同，三個算例的建筑表面最小網(wǎng)格精度分別為b/16（0.01m），b/32（0.005m）以及b/64（0.0025m）。不同網(wǎng)格精度的建筑立面迎風向平均風速如圖5所示。建筑迎風前端風剖面基本保持同風洞試驗類似的指數(shù)變化規(guī)律，風剖面滿足自保持特性。

 

從圖5可以看出，所有算例工況都再現(xiàn)出了建筑屋頂回流特征，模擬的分離點位置均發(fā)生在建筑頂部迎風前端位置。對比三個網(wǎng)格算例的建筑尾流平均風場，可以發(fā)現(xiàn)尾流區(qū)域隨著網(wǎng)格精度增大而變小，其中b/32和b/64網(wǎng)格精度的模擬結(jié)果比較接近。

 

 

圖5建筑中間立面順風向平均風速模擬結(jié)果

 

高度0.125b位置水平截面的順風向平均風速如圖6所示。該風向角情況下，建筑底部周圍兩側(cè)出現(xiàn)明顯的風速加速效應(yīng)，建筑尾部出現(xiàn)明顯回流區(qū)。隨著網(wǎng)格精度增大，兩側(cè)加速區(qū)域和建筑尾部回流區(qū)均逐漸減小并趨于穩(wěn)定。

 

 

圖6建筑周圍0.125b高度順風向平均風速模擬結(jié)果

 

不同測點位置的迎風向平均風速和湍流動能模擬結(jié)果如圖7所示。從圖中可以看出，XFlow不同網(wǎng)格精度算例均能模擬出與風洞試驗測點風速和湍流動能類似的變化規(guī)律。

 

 

 

圖7基于不同網(wǎng)格精度的測點計算結(jié)果與風洞試驗對比

 

總結(jié)網(wǎng)格敏感性分析結(jié)果：1）b/32網(wǎng)格精度能夠模擬出測點風速收斂結(jié)果，接下來所有其他算例均基于該網(wǎng)格精度；2）本文的計算參數(shù)設(shè)置可以模擬出與風洞試驗類似的計算結(jié)果，但存在建筑表面湍流動能偏小和平均風速偏小的現(xiàn)象，需要進一步研究大渦模擬設(shè)置參數(shù)對計算結(jié)果的影響。

 

3.2湍流模型敏感性分析

基于不同湍流模型的測點計算結(jié)果與風洞試驗對比如圖8所示。從圖中可以看出，湍流模型參數(shù)的選取對建筑測點風速和湍動能模擬結(jié)果影響不大，推薦采用官方默認的WALE模型進行建筑表面風環(huán)境分析。

 

 

 

圖8基于不同湍流模型的測點計算結(jié)果與風洞試驗對比

 

3.3壁面函數(shù)敏感性分析

基于不同壁面函數(shù)模型的測點計算結(jié)果與風洞試驗對比如圖9所示。從圖中可以看出，壁面函數(shù)模型的選取對建筑表面附近測點風速和湍動能模擬結(jié)果影響不大，推薦采用Non-EquilibriumEnhanced模型進行建筑表面風環(huán)境分析。

 

 

 

圖9基于不同壁面函數(shù)模型的測點計算結(jié)果與風洞試驗對比

 

3.4初始湍流尺度敏感性分析

已有文獻研究表明，非穩(wěn)態(tài)數(shù)值風洞中大氣邊界層風場的脈動特征明顯影響建筑風場的準確性。XFlow軟件采用諧波合成法生成初始脈動風場，具體通過指定初始湍流尺度和諧波數(shù)量。本文僅考慮XFlow已有的脈動風生成方法對模擬結(jié)果的影響，不考慮其他脈動生成方法。參考建筑數(shù)值風洞計算域的最大網(wǎng)格尺寸（0.08m），設(shè)置初始湍流尺度分別為10倍最大網(wǎng)格尺寸、1倍最大網(wǎng)格尺寸和20倍最大網(wǎng)格尺寸。為了精細化模擬湍流信息，諧波數(shù)量取10000。基于不同初始湍流尺度參數(shù)的初始時刻風速云圖如圖10所示。從圖10可以看出，初始湍流尺度越小，初始時刻的風速隨機性越強，風速的空間變化幅度大。

 

 

圖10基于不同初始湍流尺度參數(shù)的初始時刻風速云圖

 

圖11給出了基于不同初始湍流尺度參數(shù)的測點計算結(jié)果與風洞試驗對比結(jié)果。從圖中可以看出，最小初始湍流尺度的算例模擬出最小的湍流動能，平均風速明顯偏小。算例1和算例9的模擬結(jié)果與風洞試驗對比較好。

 

 

圖11基于不同初始湍流尺度參數(shù)的測點計算結(jié)果與風洞試驗對比

 

為了進一步分析不同湍流初始化參數(shù)對建筑風場模擬結(jié)果影響，圖12給出了不同算例的建筑立面平均風速云圖。從圖中可以看出，湍流初始化對建筑風場結(jié)構(gòu)影響較大，尤其是在建筑前端迎風區(qū)域和尾流區(qū)域。

 

 

算例1-10*dx

 

 

圖12基于不同初始湍流尺度參數(shù)的建筑立面平均風速云圖

 

4.結(jié)論

本文基于新一代XFlow軟件，開展了建筑數(shù)值風洞仿真技術(shù)研究，結(jié)合標準單體建筑風洞試驗風環(huán)境測試結(jié)果開展了XFlow數(shù)值標定研究工作，詳細介紹了XFlow使用過程中需要注意的計算參數(shù)設(shè)置，并對比分析了不同敏感性參數(shù)對模擬結(jié)果的影響。通過本文數(shù)值標定工作研究，初步可以得出如下結(jié)論：

 

1）XFlow大渦模擬算法能夠較好再現(xiàn)建筑周圍三維風環(huán)境分布特性，其高效的并行計算效率和高保真度的計算求解器能夠滿足建筑工程風氣候評估和輔助設(shè)計需求。

 

2）基于XFlow的建筑風場模擬結(jié)果受網(wǎng)格精度影響明顯，建議在實際工程應(yīng)用中至少進行三種不同網(wǎng)格精度的結(jié)果敏感性分析。由于XFlow靈活的網(wǎng)格劃分技術(shù)，推薦在建筑數(shù)值風洞中采用不同精細度的網(wǎng)格嵌套策略，僅針對關(guān)心區(qū)域進行網(wǎng)格加密處理。

 

3）湍流模型和壁面函數(shù)模型對本文單體建筑風環(huán)境模擬結(jié)果影響不大，推薦XFlow默認的WALE湍流模型和非平衡Enhancedwallfunction模型。

 

4）初始湍流生成參數(shù)對建筑數(shù)值風洞模擬結(jié)果影響明顯，建議在實際工程應(yīng)用中至少進行三種不同初始湍流生成參數(shù)的結(jié)果敏感性分析。由于XFlow官方文檔并未針對已有湍流生成方法原理進行詳細介紹，建議參考傳統(tǒng)有限體積法的的湍流生成方法研究XFlow湍流生成。

 

本文基于XFlow的建筑數(shù)值風洞研究成果，拓展了XFlow軟件在建筑數(shù)值風洞中的應(yīng)用，可以為建筑行業(yè)風工程仿真分析提供技術(shù)參考。

 

資料來源：達索官方