建筑物风环境cfd模拟方法综述

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1、第20卷第1期茂名学院学报Vo1．2ONo．12ol0年2月JOURNALOFMAOMGIINIⅥ强SⅡYFeb．2009建筑物风环境CFD模拟方法综述于凤全(徐州师范大学，江苏徐州221116)摘要：结合通用CFD软件包的特点，介绍了计算机流体力学(cFD)的模拟方法，探讨了各类公式以及参数设置的基本模式，为建筑物环境风数值模拟总结出理论依据。关键词：风环境；CFD；数值模拟中图分类号：TU834文献标识码：A文章编号：1671—659o(2olO)o4—0072—04计算流体力学是20世纪6o年代起伴随计算机技术迅速崛起的学科。经过半个世

2、纪的迅猛发展，这f-l@科己相当成熟。由于CFD软件是专业性很强的高科技产品，很多用户对其性能特点和技术背景了解很少，对CFD软件的认识也比较模糊。随着CFD通用软件的推广，其用户与潜在用户在迅速增加，不少人迫切希望对CFD软件有个较全面的了解，本文将根据作者了解的情况从理论方法上做一综述[1-7]。1风流动特性I．1大气边界层风吹过地面时，受到地面上的各种粗糙元(森林、山峰、建筑物等)产生的摩擦阻力作用而使得风速减小，这一层受地球表面摩擦阻力影响的大气层称为大气边界层(如图1所示)。大气边界层的厚度依风力、地形粗糙度及维度而定。大气边界层内

3、的风速随高自由大气度而增大，边界层顶的风速称为梯度风速。建筑物r通常建在大气边界层内，所以大气边界层内的气体流动问题是建筑设计人员最关心的问题。不同地面边界∽条件产生的大气边界层特征主要包括平均风速剖层厚面、湍流结构等方面。平均风速沿高度变化的规律摩称为平均风速梯度或风剖面。平均风沿高度变化规律有两种表达形式，即按实测结果推得的指数风剖面和按边界层理论得到的对数风剖面。图l大气边界层1．2指数风剖面G．Hellman在1916年提出指数规律，后来由A．GDavenport根据多次实测结果分析并提出平均风沿高度变化的规律可用指数函数来描述，即：

4、y(z)／v。=(Za／z。](1)式中，z。、。为标准参考高度和标准参考高度处的平均风速，我国标准高度取为10m，z、v为任一高度和任一高度处的平均风速；口为地面粗糙度指数，地形越粗糙，地表为气流的阻滞作用越强，a也越大。我国收稿日期"．2008—12—15；修回日期12009—02—16基金项目：江苏省研究生培养创新工程项目(CX08S-008R)；徐州师范大学研究生培养创新工程项目(08YL-X002)作者简介：于风全(1972～)，山东临沂人，硕士，讲师，从事体育教育训练学研究。第1期于凤全：建筑物风环境CFD模拟方法综述73《建筑结

5、构荷载规范)(GBS0009—20o1)将地貌按地面粗糙度分为A、、C、D四类。这四类地貌的地面粗糙度指数口和梯度风高度取值如表1所示。表1地貌地面粗糙度1．3对数风剖面对数风剖面是平均风剖面的另一种重要形式。由A．C．冈津提出近地面的下部摩擦层比较负荷对数规律，其一般表达式如下：(z)={v*ll1()(2)式中，，为地面粗糙长度，是地面上湍流漩涡尺寸的量度，大小由经验确定，一般略大于地面有效障碍物高度的1／10；Zt是有效高度；1,1*是摩擦速度或流动剪切速度；()是大气边界层内高度处的平均风速；k是卡曼常数，可取0．4；一些资料认为近地

6、面的下部摩擦层对数律更符合风速实测资料，对数律与指数律计算结果差别不大，但指数律计算更简便。2复杂体型建筑物数值模拟方法综述2．1粘性不可压缩流体的控制方程流体运动所遵循的规律是有三大守恒定律，即质量守恒定律、动量守恒定律、能量守恒定律。这三大定律对流体运动的数学描写就是流体动力学的基本控制方程组。质量守恒定律数学表达式即为连续方程。对于不可压缩的流体流动，密度为常数，其表达式如下：d％+d’，+d=0(’3)动量守恒定律数学表达式是运动方程，还称为Navier—Stokes方程。通过对流动空间中流体微元的受力情况和运动情况的分析，可导出，Y

7、，z三个方程运动方程的方程式：叠a￡+’ax+‘+。=一一ax+’+。鲁+。az+一(4)at+。ax+。ay+。az：一+‘ax+。ax+‘+。誓+一(5)at+++az=至。。。一az+鲁+。+az+一(6)式中，P是流体微元体上的压力；、"Cxy和等是因分子粘性作用而产生的作用在微元体表面上的粘性应力r分量；、和是微元体上的体力。能源守恒定律是包含有热交换的流动系统必须满足的基本定律。以温度为变量的能量守恒方程：ot+d％++Oz一oOx[CkaT1+糕‘CO[ckaOzT1+S‘(’7)2．2数值模拟方法分类一般认为，无论湍流运动多么

8、复杂，非稳态的Navier—Stokes方程对于湍流的瞬时运动仍然适用L2】。关于湍流运动的数值模拟计算，是目前计算流体动力学和计算传热学中困难最多而研究最活跃的领