陳 佳 王夢(mèng)林

(北京構(gòu)力科技有限公司，上海 200023)

引言

在使用CFD進(jìn)行建筑風(fēng)環(huán)境仿真的時(shí)候，首先需要根據(jù)建筑模型的形狀，生成計(jì)算所需的流體域網(wǎng)格模型[1]，網(wǎng)格的生成工具很多，可以手動(dòng)劃分生成網(wǎng)格，也可以選擇自動(dòng)劃分網(wǎng)格。通常為了力求實(shí)際模型的形狀與網(wǎng)格模型的形狀保持一致，研究人員會(huì)消耗大量的精力，在專業(yè)的前處理工具上進(jìn)行網(wǎng)格劃分，復(fù)雜的模型生成符合模型外形的計(jì)算網(wǎng)格更是難上加難。而在綠建風(fēng)環(huán)境仿真時(shí)，往往不可能花費(fèi)大量時(shí)間進(jìn)行手動(dòng)網(wǎng)格劃分，因此自動(dòng)網(wǎng)格劃分就成了最佳選擇。

開源CFD軟件OpenFOAM自帶的網(wǎng)格生成工具就是在設(shè)置相關(guān)參數(shù)后能自動(dòng)生成網(wǎng)格。通常探討流體網(wǎng)格主要指結(jié)構(gòu)網(wǎng)格或者非結(jié)構(gòu)網(wǎng)格， 但本文討論的不同網(wǎng)格類型并非通常所指的結(jié)構(gòu)網(wǎng)格和非結(jié)構(gòu)網(wǎng)格，因?yàn)镺penFOAM自帶的snappyHexMesh工具生成的都是非結(jié)構(gòu)網(wǎng)格，針對(duì)OpenFOAM的非結(jié)構(gòu)網(wǎng)格，可選擇的網(wǎng)格類型有貼體網(wǎng)格和非貼體網(wǎng)格。網(wǎng)格模型中網(wǎng)格節(jié)點(diǎn)位于建筑表面，與建筑實(shí)際模型表面相一致的網(wǎng)格稱為貼體網(wǎng)格。在網(wǎng)格生成過(guò)程中不考慮網(wǎng)格節(jié)點(diǎn)與建筑表面實(shí)際模型相一致的網(wǎng)格稱為非貼體網(wǎng)格。OpenFOAM的體貼網(wǎng)格是在非貼體網(wǎng)格的基礎(chǔ)上進(jìn)行生成的。

貼體或者是非貼體兩種網(wǎng)格類型，哪一種更適合綠建風(fēng)環(huán)境仿真，本文主要就是探討OpenFOAM中貼體網(wǎng)格或非貼體網(wǎng)格對(duì)計(jì)算結(jié)果的影響。

1 研究現(xiàn)狀

近年來(lái)，BIM技術(shù)在建筑領(lǐng)域的應(yīng)用越來(lái)越廣泛[3]，在建筑的設(shè)計(jì)初期，風(fēng)環(huán)境對(duì)建筑的影響也是一個(gè)很重要的考慮因素。同時(shí)現(xiàn)在綠色建筑的理念也越來(lái)越被人們理解和接受，風(fēng)環(huán)境同樣也是綠色建筑評(píng)價(jià)體系[3-5]中一個(gè)重要的環(huán)節(jié)，因此做好建筑風(fēng)環(huán)境的模擬以及對(duì)模擬結(jié)果的準(zhǔn)確性判斷至關(guān)重要。

國(guó)內(nèi)外對(duì)于建筑風(fēng)環(huán)境的仿真已經(jīng)發(fā)展很多年了，國(guó)內(nèi)有較多論述[6-8]綜合性介紹了仿真技術(shù)在風(fēng)環(huán)境的應(yīng)用，國(guó)外也有人[9-10]總結(jié)了建筑風(fēng)環(huán)境仿真中的關(guān)注點(diǎn)和關(guān)鍵技術(shù)， 他們對(duì)建筑風(fēng)環(huán)境仿真技術(shù)起到了很好的推動(dòng)作用。也有很多探討了仿真過(guò)程中所使用的網(wǎng)格類型，主要是關(guān)于結(jié)構(gòu)網(wǎng)格和非結(jié)構(gòu)網(wǎng)格，比如康忠良等[11]和閻超等[12]對(duì)結(jié)構(gòu)網(wǎng)格和非結(jié)構(gòu)網(wǎng)格進(jìn)行了詳細(xì)的論述，并指出了網(wǎng)格發(fā)展的一些技術(shù)難點(diǎn)和方向。T-O Hagbo等[13]論述了結(jié)構(gòu)網(wǎng)格和非結(jié)構(gòu)網(wǎng)格對(duì)高大建筑風(fēng)環(huán)境模型的影響，其結(jié)論表明，結(jié)構(gòu)網(wǎng)格與非結(jié)構(gòu)網(wǎng)格計(jì)算的結(jié)果大致是相同的，對(duì)于關(guān)注整體流動(dòng)情況的模擬來(lái)說(shuō)，選擇結(jié)構(gòu)網(wǎng)格或者非結(jié)構(gòu)網(wǎng)格都是可行的。對(duì)于使用OpenFOAM進(jìn)行建筑風(fēng)環(huán)境的仿真國(guó)內(nèi)還較少，王碩等[14]使用OpenFOAM對(duì)正弦形沙丘表面流場(chǎng)特性進(jìn)行了研究，也使用了OpenFOAM自帶的網(wǎng)格劃分工具，但是只研究了網(wǎng)格數(shù)目對(duì)流場(chǎng)的影響。Kastner等[15]用OpenFOAM在虛擬風(fēng)洞中完成了建筑群的仿真，但是建筑都是很規(guī)則的正方體。Li Jing等[16]完成了三個(gè)建筑風(fēng)環(huán)境的仿真，其中一個(gè)算例是使用OpenFOAM完成的，目標(biāo)是完成一些驗(yàn)證工作。Mohan等[17]在完成建筑風(fēng)環(huán)境的計(jì)算后，主要關(guān)注后處理的顯示方式。

(a)原始建筑模型 (b)非貼體建筑表面網(wǎng)格 (c)貼體建筑表面網(wǎng)格圖1 建筑模型與生成的建筑表面網(wǎng)格

上述相關(guān)工作有的論述并研究了結(jié)構(gòu)網(wǎng)格和非結(jié)構(gòu)網(wǎng)格對(duì)計(jì)算結(jié)果的影響，有的研究了不同網(wǎng)格數(shù)量對(duì)計(jì)算結(jié)果的影響，有的關(guān)注計(jì)算完成后的后處理。本文則借助OpenFOAM的自動(dòng)網(wǎng)格生成工具及求解器，進(jìn)行網(wǎng)格生成和模擬計(jì)算，主要論述不同網(wǎng)格量和不同的網(wǎng)格類型對(duì)建筑風(fēng)環(huán)境計(jì)算的影響。本文的網(wǎng)格類型并非指結(jié)構(gòu)網(wǎng)格和非結(jié)構(gòu)網(wǎng)格，而是貼體網(wǎng)格和非貼體網(wǎng)格，有的地方也稱為適體網(wǎng)格。

2 建筑的貼體和非貼體網(wǎng)格

在進(jìn)行案例分析之前先對(duì)建筑模型的表面網(wǎng)格進(jìn)行相關(guān)說(shuō)明，以便后面結(jié)果的分析。

2.1 實(shí)際建筑模型和計(jì)算使用的建筑表面網(wǎng)格模型

假設(shè)有一個(gè)實(shí)際建筑，該建筑整體呈一個(gè)圓柱形，模型是STL格式，由諸多小三角形構(gòu)成。如圖 1(a)所示?；趫D1(a)的建筑模型，使用OpenFOAM 生成的非貼體建筑表面網(wǎng)格模型如圖1(b)所示(建筑表面尺寸2m為例)?；趫D1(a)建筑模型，使用OpenFOAM 生成的貼體建筑表面網(wǎng)格模型如圖1(c)所示。

原始建筑模型與非貼體及貼體網(wǎng)格模型外形的對(duì)比如圖2所示，為了便于觀察，僅取一個(gè)與Z方向垂直的截面作為示例，圖2(a)是原始模型的截面圖，為了便于區(qū)分，圖2(b)和圖2(c)中的陰影背景是原始建筑模型。從圖中可以看出非貼體的建筑表面網(wǎng)格在墻面處存在鋸齒現(xiàn)象，與實(shí)際建筑存在差異，貼體網(wǎng)格模型與實(shí)際建筑的外輪廓基本一致，因?yàn)樵谫N體的作用下，建筑表面網(wǎng)格附近的節(jié)點(diǎn)與建筑表面相貼合。

建筑表面網(wǎng)格的形狀與流體域網(wǎng)格的形狀息息相關(guān)，如果是非貼體的建筑表面網(wǎng)格，該建筑周邊的部分流體域網(wǎng)格如圖3(a)所示。貼體的建筑表面網(wǎng)格，該建筑周邊的部分流體域網(wǎng)格如圖3(b)所示。

(a)原始建筑模型 (b)非貼體建筑表面網(wǎng)格 (c)貼體建筑表面網(wǎng)格圖2 建筑原始模型與非貼體及貼體網(wǎng)格模型外形的對(duì)比

(a)非貼體建筑周邊網(wǎng)格

(b)貼體建筑周邊網(wǎng)格圖3 建筑周邊流體域網(wǎng)格

從圖中可以看到非貼體網(wǎng)格周邊的計(jì)算域網(wǎng)格也是呈鋸齒狀，生成貼體網(wǎng)格的建筑周邊，同時(shí)支持邊界層網(wǎng)格的生成，能夠很好地描述建筑的實(shí)際外輪廓。

2 計(jì)算模型

2.1 模型介紹

本文的計(jì)算案例使用的模型由若干個(gè)建筑組成，研究的目標(biāo)建筑為中間的圓柱形建筑。綠色部分為綠化帶，藍(lán)色為水池，灰色為停車場(chǎng)，深橘色為道路。如圖4(a)所示，用于數(shù)據(jù)后處理統(tǒng)計(jì)的考察區(qū)域如圖4(b)的紅線區(qū)域所示，下文中的風(fēng)速統(tǒng)計(jì)就是在紅線區(qū)域內(nèi)統(tǒng)計(jì)1.5m高度處人行區(qū)的風(fēng)速面積占比，非人行區(qū)不包含在統(tǒng)計(jì)范圍內(nèi)。

(a)算例模型

(b)考察區(qū)域圖4 計(jì)算模型和風(fēng)速考察區(qū)域

2.2 網(wǎng)格尺寸和數(shù)量

為了分析對(duì)比貼體網(wǎng)格與非貼體網(wǎng)格的計(jì)算結(jié)果，分別取建筑表面網(wǎng)格的尺寸別3m，2m，1m。三種尺寸生成的非貼體網(wǎng)格定義為A1，A2，A3，三種尺寸生成的貼體網(wǎng)格定義為B1，B2，B3，生成的網(wǎng)格數(shù)量見(jiàn)表1所示。

表1 不同網(wǎng)格類型算例的網(wǎng)格數(shù)量

3 計(jì)算結(jié)果分析

3.1 計(jì)算設(shè)置

本文計(jì)算案例收斂判斷即計(jì)算停止的精度標(biāo)準(zhǔn)為10-4。計(jì)算采用的湍流模型為k-e模型，工況為冬季工況，風(fēng)速方向?yàn)楸憋L(fēng)，風(fēng)速大小為4.7m/s，入口邊界條件為大氣入口邊界。整個(gè)計(jì)算域根據(jù)綠建相關(guān)要求在研究區(qū)域的前后左右區(qū)域各延伸一定距離，滿足阻塞比的要求。

3.2 風(fēng)速云圖

計(jì)算生成的風(fēng)速云圖如圖5所示，以A3和B3算例為例。風(fēng)速云圖的顯示范圍從0m/s～5m/s，在研究的圓柱形建筑的背風(fēng)面(下方區(qū)域)可以看出，非貼體網(wǎng)格和貼體網(wǎng)格計(jì)算的結(jié)果有明顯的差異。更具體的分析參見(jiàn)下文中的數(shù)據(jù)分析。

(a)風(fēng)速云圖A3

(b)風(fēng)速云圖B3圖5 風(fēng)速云

3.3 風(fēng)速達(dá)標(biāo)情況

綠建風(fēng)環(huán)境評(píng)價(jià)時(shí)通?？疾斓氖侨诵袇^(qū)5m/s的風(fēng)速情況，為了對(duì)比研究網(wǎng)格對(duì)計(jì)算結(jié)果的影響，將六個(gè)算例的目標(biāo)建筑附近的風(fēng)速達(dá)標(biāo)情況進(jìn)行對(duì)比，如圖6所示。

(a)A1 達(dá)標(biāo)情況 (b)A2 達(dá)標(biāo)情況 (c)A3 達(dá)標(biāo)情況

(d)B1 達(dá)標(biāo)情況 (e)B2 達(dá)標(biāo)情況 (f)B3 達(dá)標(biāo)情況圖6 六個(gè)算例的達(dá)標(biāo)情況

通過(guò)5m/s的風(fēng)速達(dá)標(biāo)圖可以看出，貼體網(wǎng)格能夠充分體現(xiàn)由建筑外形導(dǎo)致的高風(fēng)速區(qū)域，主要由于貼體網(wǎng)格的表面網(wǎng)格順滑，連續(xù)性較好，同時(shí)生成邊界層網(wǎng)格，能較好地計(jì)算并考慮靠近建筑墻壁面的流動(dòng)情況。而非貼體網(wǎng)格由于建筑表面網(wǎng)格呈鋸齒形，并且沒(méi)有邊界層，因而不能很好地體現(xiàn)建筑近壁面的流動(dòng)情況，因此在高風(fēng)速區(qū)的識(shí)別能力上存在一定的誤差，從圖中也能看出5m/s的紅色區(qū)域比貼體網(wǎng)格的面積要少，并且隨著網(wǎng)格分辨率的增加(建筑表面網(wǎng)格尺寸的減小)，建筑附件的流動(dòng)越來(lái)越靠近建筑表面，并且高風(fēng)速占比(紅色區(qū)域)越來(lái)越多。

對(duì)紅線范圍內(nèi)的人行區(qū)進(jìn)行風(fēng)速面積占比統(tǒng)計(jì)，數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)結(jié)果如表2所示。

表2 結(jié)果統(tǒng)計(jì)

非貼體網(wǎng)格的計(jì)算結(jié)果隨表面網(wǎng)格尺寸的變化規(guī)律不明顯，三個(gè)不同的表面網(wǎng)格尺寸計(jì)算結(jié)果相接近，處于任意風(fēng)速帶的風(fēng)速面積相差不大。而貼體網(wǎng)格的計(jì)算結(jié)果隨尺寸變化比較規(guī)律，建筑表面尺寸越小，0～1m/s，3～4m/s的風(fēng)速面積比例隨著建筑表面網(wǎng)格尺寸的減小而減小。1～2m/s，2～3m/s，5～7m/s的風(fēng)速面積比例隨著建筑表面網(wǎng)格尺寸的減小而增加。

通過(guò)絕對(duì)值觀察有時(shí)并不明顯，因?yàn)槿诵袇^(qū)的整體面積大小會(huì)削弱高風(fēng)速區(qū)的比例，下面僅針對(duì)非貼體和貼體網(wǎng)格的1m尺寸的結(jié)果進(jìn)行相對(duì)比例的分析， 對(duì)比如圖7 所示。

圖7 非貼體1m與貼體1m的風(fēng)速面積統(tǒng)計(jì)對(duì)比

在低風(fēng)速0～1m/s范圍內(nèi)面積統(tǒng)計(jì)值相差9%，3～4m/s相差15%，4～5m/s相差1%，5m/s以上相差49%，可見(jiàn)在高風(fēng)速區(qū)域的計(jì)算結(jié)果相差較大。

為了便于分析低風(fēng)速的統(tǒng)計(jì)結(jié)果，根據(jù)表2的數(shù)據(jù)，將風(fēng)速分布情況根據(jù)5m/s和2m/s為分界點(diǎn)進(jìn)行面積占比統(tǒng)計(jì)，如表3所示。

表3 不同算例達(dá)標(biāo)面積百分比

0～5m/s的達(dá)標(biāo)面積百分比隨著計(jì)算網(wǎng)格精度的提高(建筑表面網(wǎng)格越來(lái)越小)而逐漸降低，表明計(jì)算統(tǒng)計(jì)得到的高風(fēng)速區(qū)域面積越來(lái)越多，同時(shí)也能看出貼體網(wǎng)格計(jì)算的高風(fēng)速面積要高于非貼體網(wǎng)格。貼體網(wǎng)格的2m/s面積百分比整體要比非貼體的高，表明貼體網(wǎng)格在高風(fēng)速的統(tǒng)計(jì)和低風(fēng)速的統(tǒng)計(jì)上都比非貼體的高。同時(shí)也能得出，非貼體網(wǎng)格的所統(tǒng)計(jì)的面積占比最多的是中間風(fēng)速。

造成這一現(xiàn)象的原因，主要是因?yàn)榉琴N體網(wǎng)格無(wú)法非常準(zhǔn)確地計(jì)算靠近建筑附近的流動(dòng)情況，如果使用貼體網(wǎng)格，并且生成建筑表面的邊界層，靠近壁面附近的流場(chǎng)計(jì)算才更合理。

4 結(jié)論與改進(jìn)

通過(guò)上面的分析可以看出，在綠建室外風(fēng)環(huán)境仿真的時(shí)候，建議使用貼體網(wǎng)格，可以比較準(zhǔn)確地計(jì)算出靠近建筑周邊的流動(dòng)情況，如果使用非貼體網(wǎng)格，建筑周邊的風(fēng)速整體偏低。如果使用貼體網(wǎng)格計(jì)算出來(lái)的人行區(qū)風(fēng)速較高，設(shè)計(jì)人員可以在高風(fēng)速地區(qū)的上風(fēng)速地帶設(shè)計(jì)一些比較高大的綠化帶，來(lái)降低風(fēng)速。

本文從應(yīng)用層面探討不同網(wǎng)格尺寸和網(wǎng)格類型對(duì)建筑風(fēng)環(huán)境計(jì)算統(tǒng)計(jì)結(jié)果的影響，僅從數(shù)值模擬的計(jì)算結(jié)果出發(fā)，得出貼體網(wǎng)格的計(jì)算結(jié)果更加符合真實(shí)情況。同時(shí)，本文進(jìn)行模擬計(jì)算時(shí)也沒(méi)有深入研究不同的壁面邊界層數(shù)，建筑表面的Yplus數(shù)值是否在模型適用范圍等等因素，因此本文探討還存在很多不足，后續(xù)將在這幾個(gè)方面繼續(xù)深入研究，進(jìn)一步改進(jìn)室外風(fēng)環(huán)境模擬計(jì)算統(tǒng)計(jì)結(jié)果的準(zhǔn)確性。