1.引言

隨著現(xiàn)代計(jì)算機(jī)并行計(jì)算能力飛速提升以及眾多CFD軟件日益成熟，數(shù)值風(fēng)洞得到了越來(lái)越多城市規(guī)劃、建筑設(shè)計(jì)和結(jié)構(gòu)工程領(lǐng)域?qū)W者和工程師的青睞。數(shù)值風(fēng)洞方法，即利用計(jì)算流體動(dòng)力學(xué)方法在計(jì)算機(jī)中模擬建筑結(jié)構(gòu)附近流場(chǎng)，從而確定建筑周圍流場(chǎng)以及表面風(fēng)效應(yīng)。該方法具有試驗(yàn)條件易于控制、可進(jìn)行足尺模擬以及試驗(yàn)成本較低等明顯優(yōu)勢(shì)。但由于實(shí)際建筑為典型鈍體，其流場(chǎng)特征涉及到復(fù)雜三維流動(dòng)和高雷諾數(shù)等湍流問(wèn)題，其計(jì)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(shí)CFD理論基礎(chǔ)和實(shí)際工程實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)。

 

根據(jù)CFD計(jì)算原理的不同，實(shí)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(dòng)力學(xué)SPH以及分子動(dòng)力學(xué)模擬的大量CFD軟件。在建筑風(fēng)工程計(jì)算領(lǐng)域，國(guó)內(nèi)外主要基于以有限體積法為代表的系列軟件，開(kāi)展了大量關(guān)于城市風(fēng)氣候環(huán)境模擬的數(shù)值驗(yàn)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(lái)國(guó)內(nèi)外學(xué)者開(kāi)展了基于格子Boltzman方法的建筑數(shù)值風(fēng)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(jì)算對(duì)象的復(fù)雜幾何特性，具有高效的計(jì)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(guó)內(nèi)基于XFlow開(kāi)展的建筑工程仿真分析案例積累較少、缺少建筑數(shù)值風(fēng)洞數(shù)值標(biāo)定工作等原因，限制了XFlow在建筑領(lǐng)域風(fēng)工程相關(guān)問(wèn)題的應(yīng)用。

 

本文基于單體標(biāo)準(zhǔn)建筑風(fēng)洞試驗(yàn)?zāi)Ｐ偷娘L(fēng)環(huán)境測(cè)試結(jié)果，開(kāi)展XFlow建筑數(shù)值風(fēng)洞數(shù)值標(biāo)定工作，詳細(xì)介紹了XFlow建筑數(shù)值風(fēng)洞的計(jì)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(shí)通過(guò)設(shè)置多個(gè)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(duì)計(jì)算結(jié)果的影響，總結(jié)了XFlow軟件使用特點(diǎn)，為XFlow在建筑數(shù)值風(fēng)洞的工程實(shí)踐應(yīng)用提供了技術(shù)參考。

 

2.建筑數(shù)值風(fēng)洞模擬設(shè)置

2.1計(jì)算域設(shè)置

基于新一代計(jì)算流體力學(xué)軟件XFlow，針對(duì)單體標(biāo)準(zhǔn)建筑模型（1:1:2）建立建筑數(shù)值風(fēng)洞模型。建筑尺寸取0.16*0.16*0.32m（寬度記為b）。確定計(jì)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(fēng)面距入口4.5倍建筑物高度，背風(fēng)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(fēng)洞的計(jì)算要求。

 

 

圖1單體建筑數(shù)值風(fēng)洞計(jì)算域示意圖

 

計(jì)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(jìn)行空間離散化，過(guò)程主要分為背景計(jì)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(gè)步驟。1）確定全局計(jì)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(xì)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(kāi)始逐漸增大2倍，以接近全局計(jì)算域基本尺度分辨率，形成格子的八叉樹(shù)結(jié)構(gòu)，即以2的倍數(shù)因子來(lái)適應(yīng)空間和時(shí)間尺度。3）采用兩層矩形盒對(duì)建筑周圍空間進(jìn)行局部加密，以捕捉更多流場(chǎng)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(chǎng)信息不連續(xù)現(xiàn)象，在兩個(gè)晶格層邊界重疊處引入緩沖區(qū)，設(shè)置緩沖區(qū)長(zhǎng)度為2，同時(shí)設(shè)置設(shè)置過(guò)渡晶格層的細(xì)化過(guò)渡長(zhǎng)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(jì)算成本和精度，采用三種不同網(wǎng)格精度模型進(jìn)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(wàn)，29.8萬(wàn)和141萬(wàn)。

 

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(jì)算，每個(gè)計(jì)算工況的并行核數(shù)取16核。XFlow計(jì)算求解參數(shù)如表1所示，計(jì)算內(nèi)核設(shè)置為3D模式，采用單相流模型，計(jì)算域流場(chǎng)設(shè)置為外流域，其余Engine設(shè)置保持為默認(rèn)；采用WALE湍流模型進(jìn)行XFlow大渦模擬計(jì)算，Cw取0.325,，湍流生成辦法設(shè)置為custom。

 

通過(guò)預(yù)先模擬生成初始時(shí)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(xì)，但諧波數(shù)量過(guò)多會(huì)增加計(jì)算成本。由于一般建筑工程中風(fēng)速較小，通常假定為不可壓縮流體，故開(kāi)啟incomprehensiblemodel選項(xiàng)，其他設(shè)置保持默認(rèn)。

 

表1XFlow計(jì)算求解參數(shù)設(shè)置

 

 

 

LBM大渦模擬計(jì)算結(jié)果受多種參數(shù)影響，進(jìn)行實(shí)際建筑結(jié)構(gòu)關(guān)注的流場(chǎng)特性計(jì)算分析時(shí)需要慎重選擇相關(guān)計(jì)算參數(shù)。本文總結(jié)了表2中9個(gè)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(jiàn)參數(shù)對(duì)建筑風(fēng)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(duì)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(jì)算風(fēng)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(jìn)行對(duì)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(jì)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(fēng)速具有脈動(dòng)特性，一般建筑風(fēng)工程中要求CFD非穩(wěn)態(tài)分析時(shí)需要在遠(yuǎn)處來(lái)流邊界上生成符合大氣邊界層脈動(dòng)風(fēng)速特征的風(fēng)場(chǎng)。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(duì)應(yīng)不同的平均風(fēng)速剖面和湍流強(qiáng)度特征公式。入口剖面平均風(fēng)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(fēng)速，α為不同地面粗糙度類型對(duì)應(yīng)的指數(shù)系數(shù)，I10為10米高度湍流強(qiáng)度。表3列出了中國(guó)規(guī)范中風(fēng)剖面相關(guān)參數(shù)。

 

表3中國(guó)規(guī)范指定的風(fēng)剖面參數(shù)

 

 

在實(shí)際應(yīng)用中，XFlow軟件同時(shí)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(fēng)洞試驗(yàn)風(fēng)環(huán)境測(cè)試結(jié)果對(duì)比，采用同風(fēng)洞試驗(yàn)一樣的入口邊界條件，即通過(guò)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(jì)算域采用虛擬風(fēng)洞模式，初始化條件選擇默認(rèn)，建筑數(shù)值風(fēng)洞邊界條件設(shè)置如表4所示。

 

 

圖3風(fēng)洞試驗(yàn)入口風(fēng)速和湍流動(dòng)能邊界條件

 

表4基于XFlow的建筑數(shù)值風(fēng)洞邊界條件設(shè)置

 

 

2.4測(cè)點(diǎn)布置

建筑周圍測(cè)點(diǎn)平面布置圖及測(cè)點(diǎn)編號(hào)順序如圖4所示。0.125b和1.25b高度處分別布置60個(gè)測(cè)點(diǎn)，建筑中間立面位置布置66個(gè)測(cè)點(diǎn)。風(fēng)洞試驗(yàn)對(duì)每個(gè)測(cè)點(diǎn)的風(fēng)速時(shí)程進(jìn)行了詳細(xì)記錄，并給出了每個(gè)測(cè)點(diǎn)位置的平均風(fēng)速和湍流動(dòng)能強(qiáng)度。本文基于該風(fēng)洞試驗(yàn)結(jié)果，對(duì)XFlow大渦模擬結(jié)果的建筑風(fēng)環(huán)境平均風(fēng)速和湍流動(dòng)能進(jìn)行詳細(xì)對(duì)比驗(yàn)證分析。

 

 

（a）0.125b和1.25b高度截面

 

 

（b）中間截面位置的測(cè)點(diǎn)布置

圖4單體建筑周圍測(cè)點(diǎn)布置示意圖

 

3.風(fēng)環(huán)境模擬結(jié)果對(duì)比驗(yàn)證

3.1網(wǎng)格敏感性分析

采用了三個(gè)不同網(wǎng)格精度的CFD模型進(jìn)行網(wǎng)格無(wú)關(guān)性驗(yàn)證。三個(gè)算例的全局計(jì)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(gè)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(fēng)向平均風(fēng)速如圖5所示。建筑迎風(fēng)前端風(fēng)剖面基本保持同風(fēng)洞試驗(yàn)類似的指數(shù)變化規(guī)律，風(fēng)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(diǎn)位置均發(fā)生在建筑頂部迎風(fēng)前端位置。對(duì)比三個(gè)網(wǎng)格算例的建筑尾流平均風(fēng)場(chǎng)，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(fēng)向平均風(fēng)速模擬結(jié)果

 

高度0.125b位置水平截面的順風(fēng)向平均風(fēng)速如圖6所示。該風(fēng)向角情況下，建筑底部周圍兩側(cè)出現(xiàn)明顯的風(fēng)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(fēng)向平均風(fēng)速模擬結(jié)果

 

不同測(cè)點(diǎn)位置的迎風(fēng)向平均風(fēng)速和湍流動(dòng)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(fēng)洞試驗(yàn)測(cè)點(diǎn)風(fēng)速和湍流動(dòng)能類似的變化規(guī)律。

 

 

 

圖7基于不同網(wǎng)格精度的測(cè)點(diǎn)計(jì)算結(jié)果與風(fēng)洞試驗(yàn)對(duì)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(cè)點(diǎn)風(fēng)速收斂結(jié)果，接下來(lái)所有其他算例均基于該網(wǎng)格精度；2）本文的計(jì)算參數(shù)設(shè)置可以模擬出與風(fēng)洞試驗(yàn)類似的計(jì)算結(jié)果，但存在建筑表面湍流動(dòng)能偏小和平均風(fēng)速偏小的現(xiàn)象，需要進(jìn)一步研究大渦模擬設(shè)置參數(shù)對(duì)計(jì)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(cè)點(diǎn)計(jì)算結(jié)果與風(fēng)洞試驗(yàn)對(duì)比如圖8所示。從圖中可以看出，湍流模型參數(shù)的選取對(duì)建筑測(cè)點(diǎn)風(fēng)速和湍動(dòng)能模擬結(jié)果影響不大，推薦采用官方默認(rèn)的WALE模型進(jìn)行建筑表面風(fēng)環(huán)境分析。

 

 

 

圖8基于不同湍流模型的測(cè)點(diǎn)計(jì)算結(jié)果與風(fēng)洞試驗(yàn)對(duì)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(cè)點(diǎn)計(jì)算結(jié)果與風(fēng)洞試驗(yàn)對(duì)比如圖9所示。從圖中可以看出，壁面函數(shù)模型的選取對(duì)建筑表面附近測(cè)點(diǎn)風(fēng)速和湍動(dòng)能模擬結(jié)果影響不大，推薦采用Non-EquilibriumEnhanced模型進(jìn)行建筑表面風(fēng)環(huán)境分析。

 

 

 

圖9基于不同壁面函數(shù)模型的測(cè)點(diǎn)計(jì)算結(jié)果與風(fēng)洞試驗(yàn)對(duì)比

 

3.4初始湍流尺度敏感性分析

已有文獻(xiàn)研究表明，非穩(wěn)態(tài)數(shù)值風(fēng)洞中大氣邊界層風(fēng)場(chǎng)的脈動(dòng)特征明顯影響建筑風(fēng)場(chǎng)的準(zhǔn)確性。XFlow軟件采用諧波合成法生成初始脈動(dòng)風(fēng)場(chǎng)，具體通過(guò)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(dòng)風(fēng)生成方法對(duì)模擬結(jié)果的影響，不考慮其他脈動(dòng)生成方法。參考建筑數(shù)值風(fēng)洞計(jì)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(xì)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(shí)刻風(fēng)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(shí)刻的風(fēng)速隨機(jī)性越強(qiáng)，風(fēng)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(shí)刻風(fēng)速云圖

 

圖11給出了基于不同初始湍流尺度參數(shù)的測(cè)點(diǎn)計(jì)算結(jié)果與風(fēng)洞試驗(yàn)對(duì)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(dòng)能，平均風(fēng)速明顯偏小。算例1和算例9的模擬結(jié)果與風(fēng)洞試驗(yàn)對(duì)比較好。

 

 

圖11基于不同初始湍流尺度參數(shù)的測(cè)點(diǎn)計(jì)算結(jié)果與風(fēng)洞試驗(yàn)對(duì)比

 

為了進(jìn)一步分析不同湍流初始化參數(shù)對(duì)建筑風(fēng)場(chǎng)模擬結(jié)果影響，圖12給出了不同算例的建筑立面平均風(fēng)速云圖。從圖中可以看出，湍流初始化對(duì)建筑風(fēng)場(chǎng)結(jié)構(gòu)影響較大，尤其是在建筑前端迎風(fēng)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(fēng)速云圖

 

4.結(jié)論

本文基于新一代XFlow軟件，開(kāi)展了建筑數(shù)值風(fēng)洞仿真技術(shù)研究，結(jié)合標(biāo)準(zhǔn)單體建筑風(fēng)洞試驗(yàn)風(fēng)環(huán)境測(cè)試結(jié)果開(kāi)展了XFlow數(shù)值標(biāo)定研究工作，詳細(xì)介紹了XFlow使用過(guò)程中需要注意的計(jì)算參數(shù)設(shè)置，并對(duì)比分析了不同敏感性參數(shù)對(duì)模擬結(jié)果的影響。通過(guò)本文數(shù)值標(biāo)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(fēng)環(huán)境分布特性，其高效的并行計(jì)算效率和高保真度的計(jì)算求解器能夠滿足建筑工程風(fēng)氣候評(píng)估和輔助設(shè)計(jì)需求。

 

2）基于XFlow的建筑風(fēng)場(chǎng)模擬結(jié)果受網(wǎng)格精度影響明顯，建議在實(shí)際工程應(yīng)用中至少進(jìn)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(fēng)洞中采用不同精細(xì)度的網(wǎng)格嵌套策略，僅針對(duì)關(guān)心區(qū)域進(jìn)行網(wǎng)格加密處理。

 

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

 

4）初始湍流生成參數(shù)對(duì)建筑數(shù)值風(fēng)洞模擬結(jié)果影響明顯，建議在實(shí)際工程應(yīng)用中至少進(jìn)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(duì)已有湍流生成方法原理進(jìn)行詳細(xì)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(fēng)洞研究成果，拓展了XFlow軟件在建筑數(shù)值風(fēng)洞中的應(yīng)用，可以為建筑行業(yè)風(fēng)工程仿真分析提供技術(shù)參考。

 

資料來(lái)源：達(dá)索官方