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        高層建筑通風模擬驗證Fluent軟件可信度

        2020-12-18 01:34:12周子芥
        綠色環(huán)保建材 2020年12期
        關(guān)鍵詞:模擬計算風速次數(shù)

        周子芥

        華南理工大學

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

        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)的復雜流動。作為目前商業(yè)開發(fā)完善且較為常用的CFD軟件[1]。最初被應用在航空航天、汽車及工業(yè)設計行業(yè)用于模擬氣體流動。近年來建筑設計對節(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在建筑初步設計后模擬建筑能耗與風熱環(huán)境,提前得知建筑性能從而反向指導建筑設計。但由于建筑體量巨大(相比汽車與各類工業(yè)設計產(chǎn)品),CFD-Fluent 網(wǎng)格數(shù)量劇增(在保證人體感知尺度時),計算時間增大;同時也應建筑技術(shù)與Fluent 軟件的契合問題使得在針對建筑進行風熱環(huán)境模擬時產(chǎn)生各類問題;另外,由于大型建筑周邊環(huán)境復雜多樣,CFD-Fluent 模型相對實際建筑環(huán)境的簡化通常會使模擬結(jié)果與實際建筑環(huán)境測量結(jié)果存在較大差異。

        2 高層建筑通風模擬實驗設計

        2.1 建筑案例選擇與簡化

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

        選取廣州珠江電廠辦公大樓為實驗建筑,依據(jù)實際建筑尺寸,在AutoCAD 中建立三維模型??紤]到后續(xù)網(wǎng)格劃分的精度會影響計算量與計算時間,在確定研究區(qū)域的基礎上簡化建筑模型,不考慮與中心通風系統(tǒng)無關(guān)的元素。整體建筑模型尺寸為33.75m×33.75m×47.20m。具有一個從五層起貫穿屋頂?shù)闹型?,尺寸?0.25m×20.25m,并在屋頂由一個尺寸同為20.25m×20.25m的遮陽擋風板,為了簡化模型節(jié)省計算時間,將與風道無關(guān)或幾乎不影響風場的結(jié)構(gòu)元素(樓梯,房間,欄桿等)省去。建筑1-4層與實驗無關(guān),故以尺寸為33.75m×33.75m×22m的“封閉空間”代替。實驗不考慮建筑內(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模型設計

        由于軟件進行數(shù)值模擬時需考慮建筑外部環(huán)境的空氣流動,為得到穩(wěn)定準確的建筑室內(nèi)風速與溫度,需留出足夠的外部計算空間[3],根據(jù)相關(guān)研究最終確定總計算區(qū)域尺寸為247.25m×547.25m×147.25m。建筑模型邊緣距離計算域邊界為: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);風速:2.5m/s(按照梯度風公式設置進風口風速,既風速隨高度的增大而增大,2.5m/s是地面起10m處的風速[4]);風向SSE;進風溫度:28℃;直射輻射強度:212W/m2;散射輻射強度:195 W/m2。

        3 對比驗證CFD-Fluent不同計算次數(shù)下獲得數(shù)據(jù)的可信度

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

        限制于計算機計算速度與承受能力,在建立建筑模型賦予空間網(wǎng)格時通常會采用漸進式網(wǎng)格(既從建筑室內(nèi)重點觀測區(qū)域最密集網(wǎng)格區(qū)域向外逐漸疏松)。這樣操作的優(yōu)點是減小了模型的數(shù)據(jù)量同時加快了模擬計算速度;缺點是在較少的計算次數(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,采用漸進式網(wǎng)格的模型質(zhì)量并不足夠高,而又限制于有限的實驗時間,每個模擬實驗最終得到的數(shù)據(jù)結(jié)果通常都是不收斂的,即結(jié)果不完全可信。故在此基礎上討論進行的模擬對比實驗結(jié)果是否可信,并探索最高效率的數(shù)據(jù)采集與統(tǒng)計方式。

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

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

        24 核心的超級計算機(天河二號)端口運行CFD-Fluent 軟件計算該模型時平均耗時為90min/1000次運算(Fluent的計算原理是迭代算法,多次嘗試代入數(shù)據(jù)并得出相對最接近的結(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置下250 次,500 次,750 次······5000 次運算得到的數(shù)據(jù)(一般超出5000次還未收斂的實驗模型不具備實用性)。

        針對本次實驗簡化后的建筑模型進行模擬運算。記錄模型建筑內(nèi)部空間5,6,7,8,9,10層1.5m高度的溫度與風速數(shù)據(jù)(走廊與中空兩個區(qū)域分別記錄),并計算平均值。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)有模型基礎下的模擬計算結(jié)果可信度

        通過分析不同計算次數(shù)下獲得的數(shù)據(jù)結(jié)果后明顯得出數(shù)據(jù)的絕對值并不可信。即單獨研究一個模型的某個數(shù)據(jù)是不可靠的。但由于本次實驗屬于對照試驗,利用同一個模型進行不同設置下的對照實驗,并且發(fā)現(xiàn)在相同模擬計算次數(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驗的計算次數(shù)相同,則得到的組間對比結(jié)論就是可信的。

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

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

        4 對比驗證CFD-Fluent模擬結(jié)果相對實測結(jié)果的可信度

        4.1 記錄實驗建筑環(huán)境實測數(shù)據(jù)

        在實驗建筑內(nèi)部選取六個測點,在2019年5月6日全天候測試并記錄測點溫度,風速,濕度。六個測點位置分別為: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。記錄時間點為上午十點到傍晚六點間的每個整點。

        4.2 相同環(huán)境參數(shù)下利用CFD-Fluent對實驗建筑進行模擬校驗

        按照與實測環(huán)境相同的參數(shù)條件下建立簡化實驗建筑模型并模擬計算風速,溫度(由于本實驗不考慮濕度,故不進行模擬),并記錄與實測相同位置的六個測點的溫度,風速數(shù)據(jù)。(僅模擬10點和14點的情況)。實測與模擬數(shù)據(jù)校驗見圖2。

        圖2 建筑環(huán)境實測與模擬數(shù)據(jù)校驗

        4.3 對比實驗建筑環(huán)境實測數(shù)據(jù)與CFD-Fluent模擬數(shù)據(jù)

        從實驗建筑實測與模擬溫度數(shù)據(jù)對比中可以發(fā)現(xiàn),模擬得到的建筑室內(nèi)測點溫度數(shù)據(jù)普遍高于室外,考慮到建筑室內(nèi)應用了人工降溫手段,這樣的模擬結(jié)論是可以接受的,但不能用單個模擬的溫度數(shù)據(jù)去推算實際情況下的溫度。模擬與實測數(shù)據(jù)在絕對值上都有一些差異,但在五個測試點上的數(shù)據(jù)變化趨勢是一致的,說明模擬參數(shù)與實際環(huán)境參數(shù)的差異帶來的影響呈線性變化。由于模擬與實際情況的數(shù)據(jù)絕對值存在不可忽視的差距,實驗獲得的數(shù)據(jù)不能用來推測實際環(huán)境數(shù)據(jù),也不可用來得出預測性的結(jié)論;但可以用來對比組間數(shù)據(jù)來獲得對比性的結(jié)論。

        5 結(jié)果與討論

        CFD-Fluent 作為一個成熟的流體力學模擬分析軟件,能夠提供可信的計算與分析結(jié)果。但由于需要大量的計算量,獲得的實驗結(jié)論往往效率較低,同時存在單體的誤差。但如果能巧妙的設計對照實驗并根據(jù)實驗重點巧妙的設計模型,避免針對單個模型的數(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 針對各種體量、類型的建筑進行室內(nèi)外風、熱環(huán)境模擬時,需要提前確定實驗針對的對象。對象尺度的差異直接影響CFD-Fluent模型網(wǎng)格精密程度的設計。對大體量建筑的整體風熱環(huán)境及能耗模擬預測時,無須采用極度緊密的網(wǎng)格(當模型文件量過大時不僅建模出錯的可能性增大,同時模擬運算數(shù)據(jù)收斂的難度也增大);但當研究對象為人體舒適度時,則必須將網(wǎng)格精度控制在人體感知尺度(0.2)下[6]。

        對實驗建筑的抽象簡化工作是必需的,同時也是大幅度縮減模擬計算時間的方法。在實驗前明確目的,將無關(guān)的建筑構(gòu)件,空間,材料均簡化甚至剔除,能減少模型出錯的概率同時減小模擬運算工作量。

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