周子芥

華南理工大學(xué)

1 CFD-Fluent在建筑風(fēng)熱環(huán)境模擬中的應(yīng)用與局限

Fluent是通用的CFD軟件包，用來模擬從不可壓縮到高度可壓縮范圍內(nèi)的復(fù)雜流動(dòng)。作為目前商業(yè)開發(fā)完善且較為常用的CFD軟件[1]。最初被應(yīng)用在航空航天、汽車及工業(yè)設(shè)計(jì)行業(yè)用于模擬氣體流動(dòng)。近年來建筑設(shè)計(jì)對(duì)節(jié)能環(huán)保理念與微氣候、人體舒適度概念的重視使得建筑技術(shù)中多利用CFD-Fluent在建筑初步設(shè)計(jì)后模擬建筑能耗與風(fēng)熱環(huán)境，提前得知建筑性能從而反向指導(dǎo)建筑設(shè)計(jì)。但由于建筑體量巨大（相比汽車與各類工業(yè)設(shè)計(jì)產(chǎn)品），CFD-Fluent 網(wǎng)格數(shù)量劇增（在保證人體感知尺度時(shí)），計(jì)算時(shí)間增大；同時(shí)也應(yīng)建筑技術(shù)與Fluent 軟件的契合問題使得在針對(duì)建筑進(jìn)行風(fēng)熱環(huán)境模擬時(shí)產(chǎn)生各類問題；另外，由于大型建筑周邊環(huán)境復(fù)雜多樣，CFD-Fluent 模型相對(duì)實(shí)際建筑環(huán)境的簡(jiǎn)化通常會(huì)使模擬結(jié)果與實(shí)際建筑環(huán)境測(cè)量結(jié)果存在較大差異。

2 高層建筑通風(fēng)模擬實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)

2.1 建筑案例選擇與簡(jiǎn)化

廣州珠江電廠辦公大樓在建筑中心設(shè)計(jì)了一個(gè)中庭（在建筑頂端開口），配合其部分側(cè)庭，形成了貫穿整個(gè)建筑內(nèi)部的自然通風(fēng)空間，使得夏季的主流風(fēng)向東南風(fēng)能水平的吹進(jìn)建筑內(nèi)部，形成回風(fēng)，并從建筑頂部的開口吹出，達(dá)到溝通室內(nèi)外空氣，提高室內(nèi)人體舒適度的目的[2]。為了預(yù)測(cè)分析這種建筑設(shè)計(jì)手段建成之后的實(shí)際效果，使用CFD-Fluent對(duì)該典型建筑進(jìn)行風(fēng)、熱環(huán)境模擬。

選取廣州珠江電廠辦公大樓為實(shí)驗(yàn)建筑，依據(jù)實(shí)際建筑尺寸，在AutoCAD 中建立三維模型。考慮到后續(xù)網(wǎng)格劃分的精度會(huì)影響計(jì)算量與計(jì)算時(shí)間，在確定研究區(qū)域的基礎(chǔ)上簡(jiǎn)化建筑模型，不考慮與中心通風(fēng)系統(tǒng)無關(guān)的元素。整體建筑模型尺寸為33.75m×33.75m×47.20m。具有一個(gè)從五層起貫穿屋頂?shù)闹型?，尺寸?0.25m×20.25m，并在屋頂由一個(gè)尺寸同為20.25m×20.25m的遮陽擋風(fēng)板，為了簡(jiǎn)化模型節(jié)省計(jì)算時(shí)間，將與風(fēng)道無關(guān)或幾乎不影響風(fēng)場(chǎng)的結(jié)構(gòu)元素（樓梯，房間，欄桿等）省去。建筑1-4層與實(shí)驗(yàn)無關(guān)，故以尺寸為33.75m×33.75m×22m的“封閉空間”代替。實(shí)驗(yàn)不考慮建筑內(nèi)部房間，用封閉空間代替。樓板厚度0.3m，墻面厚度0.2m，玻璃厚度0.05m。具體參數(shù)略。

2.2 CFD-Fluent模型設(shè)計(jì)

由于軟件進(jìn)行數(shù)值模擬時(shí)需考慮建筑外部環(huán)境的空氣流動(dòng)，為得到穩(wěn)定準(zhǔn)確的建筑室內(nèi)風(fēng)速與溫度，需留出足夠的外部計(jì)算空間[3]，根據(jù)相關(guān)研究最終確定總計(jì)算區(qū)域尺寸為247.25m×547.25m×147.25m。建筑模型邊緣距離計(jì)算域邊界為：距入流邊界200m，距出流邊界300m，距側(cè)向邊界100m，距頂面邊界100m。

2.3 氣象邊界條件設(shè)置

城市-廣州；經(jīng)緯度-113.27,23.13；模擬日期：5月6日（過渡季）；風(fēng)速：2.5m/s（按照梯度風(fēng)公式設(shè)置進(jìn)風(fēng)口風(fēng)速，既風(fēng)速隨高度的增大而增大，2.5m/s是地面起10m處的風(fēng)速[4]）；風(fēng)向SSE；進(jìn)風(fēng)溫度：28℃；直射輻射強(qiáng)度：212W/m2；散射輻射強(qiáng)度：195 W/m2。

3 對(duì)比驗(yàn)證CFD-Fluent不同計(jì)算次數(shù)下獲得數(shù)據(jù)的可信度

3.1 討論計(jì)算未完全收斂前提下獲得模擬數(shù)據(jù)的可信度

限制于計(jì)算機(jī)計(jì)算速度與承受能力，在建立建筑模型賦予空間網(wǎng)格時(shí)通常會(huì)采用漸進(jìn)式網(wǎng)格（既從建筑室內(nèi)重點(diǎn)觀測(cè)區(qū)域最密集網(wǎng)格區(qū)域向外逐漸疏松）。這樣操作的優(yōu)點(diǎn)是減小了模型的數(shù)據(jù)量同時(shí)加快了模擬計(jì)算速度；缺點(diǎn)是在較少的計(jì)算次數(shù)下不容易收斂（得到固定的數(shù)據(jù)結(jié)果）。由于建筑模型的尺度較大，采用漸進(jìn)式網(wǎng)格的模型質(zhì)量并不足夠高，而又限制于有限的實(shí)驗(yàn)時(shí)間，每個(gè)模擬實(shí)驗(yàn)最終得到的數(shù)據(jù)結(jié)果通常都是不收斂的，即結(jié)果不完全可信。故在此基礎(chǔ)上討論進(jìn)行的模擬對(duì)比實(shí)驗(yàn)結(jié)果是否可信，并探索最高效率的數(shù)據(jù)采集與統(tǒng)計(jì)方式。

3.2 記錄不同計(jì)算次數(shù)下獲得的模擬數(shù)據(jù)的規(guī)律與趨勢(shì)

圖1 建筑內(nèi)氣溫與風(fēng)速隨計(jì)算次數(shù)變化統(tǒng)計(jì)

24 核心的超級(jí)計(jì)算機(jī)（天河二號(hào)）端口運(yùn)行CFD-Fluent 軟件計(jì)算該模型時(shí)平均耗時(shí)為90min/1000次運(yùn)算（Fluent的計(jì)算原理是迭代算法，多次嘗試代入數(shù)據(jù)并得出相對(duì)最接近的結(jié)果[5]），從收斂曲線得知其結(jié)果并未收斂。于是嘗試記錄同一模型設(shè)置下250 次，500 次，750 次······5000 次運(yùn)算得到的數(shù)據(jù)（一般超出5000次還未收斂的實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｐ筒痪邆鋵?shí)用性）。

針對(duì)本次實(shí)驗(yàn)簡(jiǎn)化后的建筑模型進(jìn)行模擬運(yùn)算。記錄模型建筑內(nèi)部空間5，6，7，8，9，10層1.5m高度的溫度與風(fēng)速數(shù)據(jù)（走廊與中空兩個(gè)區(qū)域分別記錄），并計(jì)算平均值。具體數(shù)據(jù)記錄見圖 1（A1 代表 5 層中空區(qū)域；C1 代表 5 層走廊區(qū)域；A+C1 代表五層總體區(qū)域；AVERAGE代表六層總體平均值）。

3.3 討論在現(xiàn)有模型基礎(chǔ)下的模擬計(jì)算結(jié)果可信度

通過分析不同計(jì)算次數(shù)下獲得的數(shù)據(jù)結(jié)果后明顯得出數(shù)據(jù)的絕對(duì)值并不可信。即單獨(dú)研究一個(gè)模型的某個(gè)數(shù)據(jù)是不可靠的。但由于本次實(shí)驗(yàn)屬于對(duì)照試驗(yàn)，利用同一個(gè)模型進(jìn)行不同設(shè)置下的對(duì)照實(shí)驗(yàn)，并且發(fā)現(xiàn)在相同模擬計(jì)算次數(shù)的前提下得到的數(shù)據(jù)極為接近，說明如果控制每次實(shí)驗(yàn)的計(jì)算次數(shù)相同，則得到的組間對(duì)比結(jié)論就是可信的。

3.4 討論FLUENT在建筑熱環(huán)境模擬上的實(shí)用性與局限性

通過上述分析可以得出，F(xiàn)luent 在計(jì)算未收斂時(shí)，風(fēng)速數(shù)據(jù)不隨計(jì)算次數(shù)的增加而逐漸接近；溫度數(shù)據(jù)隨計(jì)算次數(shù)的增加而逐漸接近。所以Fluent模擬在計(jì)算未收斂狀態(tài)下的結(jié)論是不穩(wěn)定的，但可以控制計(jì)算次數(shù)一致來進(jìn)行同一模型的組間對(duì)比。對(duì)照實(shí)驗(yàn)不需要為了獲得收斂的數(shù)據(jù)而在模擬計(jì)算上耗費(fèi)過多的時(shí)間。

4 對(duì)比驗(yàn)證CFD-Fluent模擬結(jié)果相對(duì)實(shí)測(cè)結(jié)果的可信度

4.1 記錄實(shí)驗(yàn)建筑環(huán)境實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)

在實(shí)驗(yàn)建筑內(nèi)部選取六個(gè)測(cè)點(diǎn)，在2019年5月6日全天候測(cè)試并記錄測(cè)點(diǎn)溫度，風(fēng)速，濕度。六個(gè)測(cè)點(diǎn)位置分別為：六層側(cè)庭，六層中庭，八層中庭，十層中庭，天面北向，天面南向。記錄時(shí)間點(diǎn)為上午十點(diǎn)到傍晚六點(diǎn)間的每個(gè)整點(diǎn)。

4.2 相同環(huán)境參數(shù)下利用CFD-Fluent對(duì)實(shí)驗(yàn)建筑進(jìn)行模擬校驗(yàn)

按照與實(shí)測(cè)環(huán)境相同的參數(shù)條件下建立簡(jiǎn)化實(shí)驗(yàn)建筑模型并模擬計(jì)算風(fēng)速，溫度（由于本實(shí)驗(yàn)不考慮濕度，故不進(jìn)行模擬），并記錄與實(shí)測(cè)相同位置的六個(gè)測(cè)點(diǎn)的溫度，風(fēng)速數(shù)據(jù)。（僅模擬10點(diǎn)和14點(diǎn)的情況）。實(shí)測(cè)與模擬數(shù)據(jù)校驗(yàn)見圖2。

圖2 建筑環(huán)境實(shí)測(cè)與模擬數(shù)據(jù)校驗(yàn)

4.3 對(duì)比實(shí)驗(yàn)建筑環(huán)境實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)與CFD-Fluent模擬數(shù)據(jù)

從實(shí)驗(yàn)建筑實(shí)測(cè)與模擬溫度數(shù)據(jù)對(duì)比中可以發(fā)現(xiàn)，模擬得到的建筑室內(nèi)測(cè)點(diǎn)溫度數(shù)據(jù)普遍高于室外，考慮到建筑室內(nèi)應(yīng)用了人工降溫手段，這樣的模擬結(jié)論是可以接受的，但不能用單個(gè)模擬的溫度數(shù)據(jù)去推算實(shí)際情況下的溫度。模擬與實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)在絕對(duì)值上都有一些差異，但在五個(gè)測(cè)試點(diǎn)上的數(shù)據(jù)變化趨勢(shì)是一致的，說明模擬參數(shù)與實(shí)際環(huán)境參數(shù)的差異帶來的影響呈線性變化。由于模擬與實(shí)際情況的數(shù)據(jù)絕對(duì)值存在不可忽視的差距，實(shí)驗(yàn)獲得的數(shù)據(jù)不能用來推測(cè)實(shí)際環(huán)境數(shù)據(jù)，也不可用來得出預(yù)測(cè)性的結(jié)論；但可以用來對(duì)比組間數(shù)據(jù)來獲得對(duì)比性的結(jié)論。

5 結(jié)果與討論

CFD-Fluent 作為一個(gè)成熟的流體力學(xué)模擬分析軟件，能夠提供可信的計(jì)算與分析結(jié)果。但由于需要大量的計(jì)算量，獲得的實(shí)驗(yàn)結(jié)論往往效率較低，同時(shí)存在單體的誤差。但如果能巧妙的設(shè)計(jì)對(duì)照實(shí)驗(yàn)并根據(jù)實(shí)驗(yàn)重點(diǎn)巧妙的設(shè)計(jì)模型，避免針對(duì)單個(gè)模型的數(shù)據(jù)分析，F(xiàn)luent還是可以提供較為可信的數(shù)據(jù)的。

在使用CFD-Fluent 針對(duì)各種體量、類型的建筑進(jìn)行室內(nèi)外風(fēng)、熱環(huán)境模擬時(shí)，需要提前確定實(shí)驗(yàn)針對(duì)的對(duì)象。對(duì)象尺度的差異直接影響CFD-Fluent模型網(wǎng)格精密程度的設(shè)計(jì)。對(duì)大體量建筑的整體風(fēng)熱環(huán)境及能耗模擬預(yù)測(cè)時(shí)，無須采用極度緊密的網(wǎng)格（當(dāng)模型文件量過大時(shí)不僅建模出錯(cuò)的可能性增大，同時(shí)模擬運(yùn)算數(shù)據(jù)收斂的難度也增大）；但當(dāng)研究對(duì)象為人體舒適度時(shí)，則必須將網(wǎng)格精度控制在人體感知尺度（0.2）下[6]。

對(duì)實(shí)驗(yàn)建筑的抽象簡(jiǎn)化工作是必需的，同時(shí)也是大幅度縮減模擬計(jì)算時(shí)間的方法。在實(shí)驗(yàn)前明確目的，將無關(guān)的建筑構(gòu)件，空間，材料均簡(jiǎn)化甚至剔除，能減少模型出錯(cuò)的概率同時(shí)減小模擬運(yùn)算工作量。