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1、http:/ 9811feddaa6db65a95ee3757.html近年来，建筑计算风工程的研究和应用得到了很大的进步，但其数值计算的精度 非常重要。数值模拟是一种近似解，误差的大小决定了求解的精度，误差主要产 生于三个方面：模型误差、离散误差和迭代误差。下面主要根据数值模拟方面的 实践和体会，并参考一些资料，从数值模拟计算域的尺寸、计算网格、对流项插 值阶数、湍流模型、数值模拟结果的判断等几个方面提岀一些建议。同时还选取 一个立方体实测模型的结果进行比较验证。(a)计算域设置在对建筑物表面风压进行数值模拟时，是将一个无限大的空间用一个有限的计算 域来代替，即在距离建筑较远的地方人为设置几
2、个避免，使求解于封闭，并保证 这些壁面设置不会对建筑表面风压数值计算结果产生影响，即求解域的大小不宜 太小，但也不宜太大以免增加计算量。从影响建筑物壁面风压考虑，对低矮建筑 物(包括大跨度建筑)，设h为建筑物的高度，建议入口距建筑物迎风面保证 4h5h的距离，建筑物侧面和顶面距各自流域边界的距离应大于4h。此时最大 阻塞率小于3%。但是，高层建筑与低矮建筑物有所区别，因为低矮建筑以顶面 绕流为主，而高层建筑则以侧面绕流为主。高层建筑计算域的高度H可小于3h， 而计算域的水平宽度B应大于8倍建筑物宽度，此时阻塞率小于5%。背风壁面 距岀口的距离应使湍流充分发展，所以岀口应距建筑物远一些，一般要求
3、9 h 1 0 h。若距离太小，出口处有回流，则计算会出现发散。在大尺度建筑物平 均风压模拟时，有时也可适当减少背风壁面距离，因为一般远场的网格较粗，湍 流耗散较快，并且输运方程中都以对流项为主，较远下游的流动对上游影响较小， 所以大多取7h 8 h就可基本消除人为设置出口边界的影响。(b )计算域网格设置进行CFD数值模拟计算时，首先要将计算区域离散化，即网格划分，数值计算 是在离散网格点上满足流体动力学基本方程，因此网格划分将对数值模拟结果有 直接影响。网格划分对计算精度的影响包括网格类型和网格尺度两方面。网格类 型分为结构化网格和非结构化网格，一般建筑物体型较为复杂，生成结构化网格 比较
4、困难，在实际应用时往往采用非结构化网格，但对于简单形体，应该采用结 构化网格，因为当流体流动和网格成一条直线时数值耗散最小。网格尺度的影响 主要体现在近壁面网格的密度上，近壁面网格距壁面的距离可以用无量纲距离 表征。式中ux为摩擦速度，y为第一排网格节点距壁面的法向距离，p和卩分别为流 体的密度和动力粘性系数。由于非平衡壁面函数基于Launder和Spalding提出的平均速度对数率强烈的依 赖于压力梯度理论，而壁面速度的对数率仅在 范围的边界层中适用，因此，在 运用壁面函数来模拟近壁面流动时，网格布置的关键是确定第一排网格的位置， 一般原则是第一排网格应布置在左右而不宜太密。数值风洞的模拟结
5、果很大程 度上取决于计算域网格划分的优劣。因此网格应当精细到足够捕捉到剪切层、旋 涡等物理现象的特征变化，网格的质量也必须足够的高。在流动变化梯度大的区域 ，网 格 的 拉 伸 或 压 缩 率 应 当 小 ，使 得 截 面 误 差 小 ，两 个 相 邻 单 元 的 扩 展 系 数 应 当 小 于 1. 3。 在 大 型 建 筑 中 ， 流 动 参 数 沿 壁 面 法 线 方 向 变 化 剧 烈 ， 因 此 在 壁 面 法 向 ，网 格 需 要 加 密 ，以 精 确 求 解 壁 面 边 界 层 内 的 压 力 。就 计 算 网 格 形 状 而 言 ， 六 面体优于四面体，前者可以引入较小的截断误
6、差，并显出良好的收敛性。然而， 在 风 工程中 几 何体总 是 非 常 复 杂 的 ，通常 使 用 四面 体 网 格 。但 在 壁面处 网 格 线 必须 与 壁面正 交 ，因此 棱 柱 体 网 格 和 四面体 网 格 应一 起 使 用 。如 果 想预测 壁 面 的 压力 ， 至 少 应 布 置 5 层 棱 柱 体 网 格 在 壁 面 处 。用 有 限体积 发 进行数 值 计 算 时 ，对 流项的 插 值 格式 非 常 重 要 。一 阶迎风 格 式 通 常包 含 较大的 数 值耗散 。目 前 推 荐 采 用二阶 迎 风 插值 格 式 ，其 数 值 耗散明 显 低 于 一阶 迎 风 格 式 ，具
7、有 较 高 的 精 度 。对 于 强 烈 变 化 的 流 场 ，二 阶 迎 风 常 常 会 产 生 数 值 振荡，此时可采用接近二阶的混合格式。( c) 湍 流 物 理 模 型 的 选 取在建筑计算风工程中，采用比较多的湍流物理模型有RNG k- 、SST k- 3、 SSG-RSM、BSL-RSM四种，它们分别是标准k- 、 k- 3模型、雷诺应力模型的改 进 模 型 ， 在 分 离 流 、 旋 涡 等 复 杂 流 场 模 拟 中 有 较 强 功 能 。通 过 对 多 个 大 跨 度 屋 盖 的 数 值 模 拟 与 风 洞 试 验 对 比 ，建 议 在 模 拟 建 筑 物 表 面 平 均 风
8、 压 时 ，一 般 采 用 SST k-3 模 型 或 BSL-RSM 雷 诺 应 力 模 型 。 当 建 筑 物 体 型 比 较 复 杂 或 计 算 机 配 置 较 低 时 ， 优 先 采 用 SST k-3 模 型 ， 当 建 筑 物 体 型 比 较 规 则 或 计 算 机 配 置 较 高 时 ， 可 采 用 BSL-RSM 雷 诺 应 力 模 型 。(d) 稳 态 数 值 模 拟 的 边 界 条 件1 ) 入 口在 数 值 风 洞 入 口 处 ，通 常 指 定 等 效 的 大 气 层 边 界 。平 均 风 速 通 过 对 数 率 或 指 数 率 的 剖 面 得 到 ， 对 来 流 风 方
9、 向 地 面 的 粗 糙 长 度 ， 指 数 率 的 平 均 风 剖 面 为其中，ub是z=zb处的参考速度，a是对应于不同地面粗糙度类别的指数。入 口 处 湍 流 强 度 边 界 条 件 可 以 通 过 湍 流 黏 性 或 湍 动 能 与 湍 流 耗 散 率 来 描 述 。对 两 方 程 湍 流 物 理 模 型 来 说 ， 湍 动 能 和 湍 流 耗 散 率 可 以 通 过 等 效 边 界 层 假 设 给 出 ：式中，C尸0. 09， I( z)是入口处的湍流强度剖面，可以参考日本或澳大利亚规范 等 国 规 范 选 取 ， u( z) 是 平 均 流 速 ， 是 入 口 处 的 湍 流 特
10、征 尺 度 ， 可 以 选 择 为 建 筑 物 的 高 度 。2) 计 算 域 顶 壁 和 侧 壁 面 的 边 界 这些边界位置设置为自由滑移壁面。3) 出口由 于 出 流 接 近 完 全 发 展 ，采 用 完 全 发 展 出 流 边 界 条 件 ，即 流 场 任 意 物 理 量 沿 出 口 法 向 的 梯 度 为 零 。4）建筑物壁面和地面采 用 无 滑 移 壁 面 。为 保 证 壁 面 附 近 边 界 层 的 对 数 运 算 不 出 错 ，壁 面 附 近 的 网 格 离 开壁面最近的计算节点应当置于离壁面距离大于壁面粗糙高度。（e） 收敛 性及结 果初步判 定迭 代计算 以相邻 两步之间
11、的残差 为收敛 标准。残 差 的量级 一般在 第一次 迭代后即 可 得到，最 终的残 差应当 趋于零 。一般情 况下，残 差下降 4 个量 级即可 认为结 果 收 敛。同时 可以监 测感兴 趣的位 置，记录 当地的 流动变量 。如果 这些变 量趋于常 数 ，这 个区 域的解 可以认 为已经 收敛。在 数值风 洞稳态模 拟中，计算结 果一般要 满足以下几个要求：（ 1 ） 来 流 远 场 风 剖 面 的 保 持 性 ： 平 均 风 速 剖 面 需 保 持 不 变 ， 湍 流 强 度 也 达 到 近 似保持的要求。（ 2） 最后结 果必须 采用高 精度的离 散格式 计 算。（ 3） 无滑移 壁面上 得到的 风速必须 为零或 接 近零 ，使物 理边界 条件应 用准确。（ 4） 最终解 是网格 无关解 ，可通过 网格加 密 或网 格优化 得到网 格无关 解。
