基于分离涡方法的城市空间风场CFD模拟研究

论文摘要

我国沿海城市近年来出现了连片的摩天大楼,这些形如屏风的大楼,阻碍自然风进出,造成区域性的空气污染问题。在城市风场这样一个复杂系统内,屏风楼这样特殊的建筑形态对城市空间风场的影响是需要我们引起重视的。而分离涡方法（Detached Eddy Simulation,简称DES）作为一种较新的湍流数值模拟方法,有其特有的优势,但DES在城市风场的研究上应用并不常见,值得进一步研究。因此,本文基于分离涡方法,分析了不同建筑物形态对周边风场的影响,并尝试将分离涡方法应用于复杂城市空间风场模拟中,且对实地模型中的特殊建筑周边风场进行分析研究。借助经典的方柱绕流为研究对象,确定了在流场内流动特性和气动特性上模拟效率和精度最佳的DES方法。本文在OpenFOAM平台上应用SA-DES,SA-DDES和SST k-ωDES三种DES方法和基于Smagorinsky的LES方法对方柱绕流经典模型进行模拟。并将流场内的模拟效果与其他学者所做的经典力学实验和模拟结果进行对比。研究结果表明,在相同的网格条件下,SST k-ωDES在三种分离涡方法中模拟效果最佳,且与LES方法相比在计算效率上更有优势。借助SST k-ωDES,分析得到会对建筑物周边流场产生剧烈影响的建筑物形态特征。应用分离涡方法对不同建筑形态的几何模型进行周边流场模拟。首先以风洞试验结果为参照,对分离涡模拟效果进行评价,结果表明分离涡的模拟准确率和计算效率达到预期。对建筑物周边行人高度的风场特征分析结果表明,建筑物迎风面厚度对周边流场影响甚微。而建筑物迎风面高度的增大和迎风面宽度的增大,都会使建筑物周边出现不同程度的风速增大区。另外,迎风面宽度的增大同时使建筑物下游的低风速区面积不同程度的扩张。运用分离涡方法对带有复杂地形城市空间模型进行多风向的模拟。发现在90°和120°风向下,目标建筑建成后会对周边流场产生较为剧烈的影响,且时程数据反映出监测点在平均风速和瞬时风速上都有显著变化。同时结果显示城区内多处典型屏风楼的角部均出现了高风速区,其下游也出现了面积不同程度扩张的低风速区域,可见形态特殊的屏风楼会使其周边风场恶化,影响居民的生活和健康,验证了前文对建筑形态特征对周边流场影响的相关结论。屏风楼这样的形态较为极端的建筑,使得周边风场出现难以预测的变化,对城市内部的风场产生重要影响。城市风环境的CFD模拟可以有效的反映实地城区内复杂的风场分布情况,这对实地观测是一种极为有效的补充方法。而DES方法给城市空间风场提供了一项新的效率与精度兼具的模拟手段,具有重要的实际应用价值。

论文目录

文章来源

类型: 硕士论文

作者: 冯世客

导师: 肖仪清

关键词: 模拟,分离涡方法,建筑形态,城市风环境

来源: 哈尔滨工业大学

年度: 2019

分类: 基础科学,工程科技Ⅱ辑

专业: 气象学,建筑科学与工程,建筑科学与工程

单位: 哈尔滨工业大学

基金: 深圳市科技计划项目(基础研究-学科布局)“城市建筑群污染物扩散机理与风环境舒适度研究”(项目编号:JCYJ20170413105418298)

分类号: TU984.113;P463.3

DOI: 10.27061/d.cnki.ghgdu.2019.002532

总页数: 86

文件大小: 6176K

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