CFD软件及其在建筑风工程中的应用”

CFD软件及其在建筑风工程中的应用1 CFD方法简介 CFD，即计算流体动力学(Computational Fluid Dynamics，简称CFD)是通过计算机数值计算和图形显示，对包含有流体流动和热传导等相关物理现象的系统所做的分析。CFD的基本思想可以归结为：把原来在时间域及空间域上连续的物理量的场，如速度场和压力场，用一系列有限个离散点上的变量值的集合来代替，通过一定的原则和方式建立起关于这些离散点上场变量之间关系的代数方程组，然后求解代数方程组获得场变量的近似值1。CFD可以看作是在流动基本方程(质量守恒方程、动量守恒方程、能量守恒方程)控制下对流动的数值模拟。通过这种数值模拟，我们可以得到极其复杂问题的流场内各个位置上的基本物理量(如速度、压力、温度、浓度等)的分布，以及这些物理量随时间的变化情况，确定旋涡分布特性、空化特性及脱流区等。还可据此算出相关的其他物理量，如旋转式流体机械的转矩、水力损失和效率等。此外，与CAD联合，还可进行结构优化设计等。计算流体动力学是20世纪60年代起伴随计算机技术迅速崛起的学科。经过半个世纪的迅猛发展，这门学科已相当成熟，成熟的一个重要标志是近十几年来，各种 CFD 通用性软件包陆续出现,成为商品化软件，为工业界广泛接受，性能日趋完善,应用范围不断扩大。至今，CFD 技术的应用早己超越传统的流体力学和流体工程的范畴，如航空、航天、船舶、动力、水利等，而扩展到化工、核能、冶金、建筑、环境等许多相关领域中去。 2 几种主要的CFD商业软件介绍2鉴于CFD在流场流动数值模拟方面的重要性，目前世界上开发了大量的商业化通用软件，而又各有特点。下面介绍一下一些比较知名的CFD软件。2.1 STAR-CDSTAR-CD是由英国帝国学院提出的通用流体分析软件，由1987年在英国成立的CD-adapco集团公司开发。这一软件名称的前半段系英语Simulation of Turbulent flow in Arbitrary Region的缩写，连字符后的CD是开发商Computational Dynamics Ltd的简称。这是基于有限体积法的一个通用软件。STAR-CD 采用基于完全非结构化网格和有限体积方法的核心解算器，具有丰富的物理模型、最少的内存占用、良好的稳定性、易用性、收敛性和众多的二次开发接口。CD-adapco集团公司与全球许多著名的高等院校、科研机构、大型跨国公司合作，不断丰富和完善STAR-CD 的各种功能。STAR-CD 独特的全自动六面体/四面体非结构化网格技术，满足了用户对复杂网格处理的需求，因此它首先在汽车/内燃机领域获得了成功，并迅速扩展到航空、航天、核工程、电力、电子、石油、化工、造船、家用电器、铁路、水利、建筑、环境等几乎所有重要的工业和研究领域，在全世界拥有数千用户。 2.2 Phoenics软件Phoenics软件包是流行较早的商业化工模拟软件，其特点是计算能力强、模型简单、速度快，便于模拟前期的参数初值估算，以低速热流输运现象为主要模拟对象，尤其适用于单相模拟和管道流动计算。其包含有一定数量的湍流模型、多相流模型、化学反应模型。不足之处在于：计算模型较少，尤其是两相流模型，不适用于两相错流流动计算；所形成的模型网格要求正交贴体(可以使用非正交网格但易导致计算发散)；使用迎风一阶差分求值格式进行数值计算，以压力矫正法为基本解法，因而不适合高速可压缩流体的流动模拟；此外，它的后处理设计尚不完善，软件的功能总量少于其他软件。其最大优点是对计算机内存、运算速度等指标要求相对较低。其边界条件以源项形式表现于方程组中是它的一大特点。由于缺乏使用群体和版本更新速度慢，以及其他新兴软件的不断涌现，使得其实际应用受到很大限制，目前应用较少。 2.3 FLUENT软件Fluent公司是享誉全球的CFD软件供应商和技术服务商。公司总部设在美国新汉普郡州(New Hampshire)的利巴嫩(Lebanon)，下属机构遍及全球。自FLUENT软件面世以来，以其丰富的物理模型、先进的数值方法及技术人员高质量的技术支持和服务，FLUENT软件很快成为CFD市场的领先者。1988年Fluent公司正式成立。Fluent公司的销售及技术服务网络遍及世界各地。公司的客户涉及航空航天、旋转机械、航海、石油化工、汽车、能源、计算机/电子、材料、冶金、生物、医药等领域。Fluent公司与许多具有领先地位的硬件和软件厂商保持着密切的合作伙伴关系。这些合作关系可以保证FLUENT软件及时地应用最新的研究成果。Fluent公司在其发展历程中，始终领导着商用CFD软件的发展方向，不断推出面向客户工程需求的软件工具。其产品作为世界公认的CAE工业标准，获得了包括ISO9001和Ticket等诸多权威质量认证。Fluent公司的宗旨是为用户提供最优秀的CFD软件和技术服务，使用户更高效地解决复杂的流动问题，减少试验次数，节省产品开发费用，缩短产品设计周期，帮助用户增强产品的市场竞争力。2006年，Fluent公司被ANSYS收购。 2.4 CFX软件CFX 软件，1996 年以前的名称为CFDSFLOW3D，它是由Computational Fluid Dynamics Services，AEA Technology于1991年推出的。CFX使用的是有限体积法。CFX 可以进行结构化正交网络(structured)、不规则分块网格(patched multi-block)和非正交曲线坐标网格(no orthogonal curvilinear coordinate)划分。CFX由于采用multi-block网格划分技术可以模拟许多复杂物体的流动状况。另外CFX还具有进行滑移网格(sliding mesh)划分功能，利用它可以模拟运动的物体的边界条件，如可以模拟动力机械转动的叶片和行驶的汽车的车轮的周围真实流动情况。CFX使用的基本算法是SIMPLEC压力校正算法格式。方程的空间步长离散是由HYBRID格式、二阶迎风差分格式和三阶QUICK格式结合实现的。CFX有5种湍流模型可供选择使用。使用CFX可以进行多相流动，流场中粒子输运，气体燃烧，混合热传输，多孔介质渗流，热辐射化学物质的混合运动以及可压、不可压，定常、非定常等许多工程实际问题的模拟。CFX有良好的图形化界面，使得问题的定义、求解直到最后的结果输出都非常直观方便。2003年CFX并入到大型通用软件ANSYS的大家族中。 3 CFD在建筑风工程中的应用风灾是自然灾害的主要灾种之一。随着经济的发展和科学技术的进步，近二十年来，国内外建造了大量的重大工程建筑结构。我国奥运会及世博会的申办成功，将建造大量的大跨空间结构。此外，发达国家甚至提出了千米高度量级的“空中城市”的概念。强风作用下结构的风荷载和响应是结构安全性和使用性的控制荷载之一。上世纪60年代，现代风工程研究奠基人A.G. Davenport教授将概率方法用于风特性研究和结构风响应研究 3，奠定了结构风工程研究的基础。70年代，R.H.Scanlan 教授在桥梁颤振和抖振研究方面建立了研究方法的框架4。基于这些奠基性工作，经过四十多年的努力，结构风工程研究理论研究取得了很大进步，同时解决了大量的工程实际问题，推动了科学进步和社会发展。以往工程结构的抗风研究主要采用试验的方法在风洞中完成，随着计算机硬件水平的飞速发展和CFD技术的不断完善，数值模拟已经成为研究风工程的强有力的工具5。近年来，国内外应用数值模拟方法对建筑风环境的研究开展得比较多。数值模拟较之传统的风洞试验主要有以下优点：1 成本低，所需周期短、效率高；2 不受模型尺度影响，可以进行全尺度的模拟，克服风洞试验中难以满足雷诺数相似的困难；3 可以方便地变化各种参数，及早发现问题。总之，数值模拟较之传统的风洞试验有诸多优点，数值风洞技术正逐渐成为辅助传统试验风洞的强有力的工具。目前，土木工程抗风研究的数值模拟在我国刚刚起步，因此采用数值模拟方法进行结构的抗风研究很有必要。 3.1 CFD在建筑通风设计中的应用采用CFD可以方便地对建筑外环境进行模拟分析，从而设计出合理的建筑风环境。下图为深圳市建筑科学研究院刘俊跃利用CFD对某建筑小区的自然通风模拟设计过程。 A 风速图 b 风压图图1 某建筑小区的自然通风模拟采用CFD技术还可以对建筑户型和房间进行自然通风和热舒适性模拟（图2） A 风速图 b 空气龄图图2 某套住房的自然通风模拟 3.2 CFD建筑结构风荷载中的应用文献6基于FLUENT软件平台，采用混合网格进行网格划分，选用标准和Realizable 两种湍流模型计算了大气边界层中单栋高层建筑的定常风流场，并将数值计算结果与风洞试验进行了比较（图3）。a 迎风面 b 侧面 c 背风面图3 标准、Realizable 湍流模型与风洞试验压力系数的比较结果表明基于FLUENT软件平台的标准和Realizable 两种湍流模型均能给出工程应用精度的结果；但相对而言Realizable 两种湍流模型更为合理。YLXu等7仔细研究了四坡屋面上风压及其随屋面坡度的变化。对四坡屋面，四边坡度相等，在三个风向角下，三种坡度屋面平均风压系数的空间分布如图4a、4b、4c所示。2004年，哈尔滨工业大学秦伟基于Fluent6.0平台，通过20多个钝体绕流算例计算结果与相关的试验结果进行对比，以工程上关心的风荷载宏观量为考察对象，探讨Fluent6.0用于结构风荷载统计平均量预测的可靠性。2006年孙晓颖、武岳等以大跨度平屋面为例，采用CFD数值模拟技术对屋盖表面的风压分布进行了数值模拟。采用了雷诺应力湍流模型（RSM）和SIMPLE压力校正算法，并将计算结果与风洞试验结果进行了比较分析，两者吻合较好。 (a)(b)(c)图4 四坡屋面平均风压系数分布 3.3CFD在结构与风荷载耦合作用计算中的应用流固耦合问题是研究变形固体在流场作用下的各种行为以及固体位形对流场影响这二者交互作用的一门科学。目前数值风洞是进行结构与风荷载流固耦合问题一种很有前途的研究方法。数值风洞即是综合运用计算流体动力学（CFD）和计算结构动力学（CSD）两种方法对结构及其周围流场的变化同时进行模拟。国内外学者也已开始对求解流体与结构相互作用问题的数值方法进行研究。德国的Glck、Halfmann和Breuer8,9采用了分区耦合算法，实现对薄膜结构与风之间耦合作用的数值模拟。即将流体计算与结构计算分开处理，通过一些参数的传递来实现两个分区的耦合。图5即为Glck采用CFD计算后的一个张拉膜结构上下表面的压力分布。图6即为Halfmann采用CFD进行流固耦合计算分析后得到的四个不同时间步时，膜结构的周围风场的速度分布以及结构的位移响应情况。