不同網(wǎng)格類型對建筑風環(huán)境仿真結(jié)果的影響

陳 佳 王夢林

(北京構(gòu)力科技有限公司，上海 200023)

引言

在使用CFD進行建筑風環(huán)境仿真的時候，首先需要根據(jù)建筑模型的形狀，生成計算所需的流體域網(wǎng)格模型[1]，網(wǎng)格的生成工具很多，可以手動劃分生成網(wǎng)格，也可以選擇自動劃分網(wǎng)格。通常為了力求實際模型的形狀與網(wǎng)格模型的形狀保持一致，研究人員會消耗大量的精力，在專業(yè)的前處理工具上進行網(wǎng)格劃分，復(fù)雜的模型生成符合模型外形的計算網(wǎng)格更是難上加難。而在綠建風環(huán)境仿真時，往往不可能花費大量時間進行手動網(wǎng)格劃分，因此自動網(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，因為OpenFOAM自帶的snappyHexMesh工具生成的都是非結(jié)構(gòu)網(wǎng)格，針對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)點位于建筑表面，與建筑實際模型表面相一致的網(wǎng)格稱為貼體網(wǎng)格。在網(wǎng)格生成過程中不考慮網(wǎng)格節(jié)點與建筑表面實際模型相一致的網(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)格對計算結(jié)果的影響。

1 研究現(xiàn)狀

近年來，BIM技術(shù)在建筑領(lǐng)域的應(yīng)用越來越廣泛[3]，在建筑的設(shè)計初期，風環(huán)境對建筑的影響也是一個很重要的考慮因素。同時現(xiàn)在綠色建筑的理念也越來越被人們理解和接受，風環(huán)境同樣也是綠色建筑評價體系[3-5]中一個重要的環(huán)節(jié)，因此做好建筑風環(huán)境的模擬以及對模擬結(jié)果的準確性判斷至關(guān)重要。

國內(nèi)外對于建筑風環(huán)境的仿真已經(jīng)發(fā)展很多年了，國內(nèi)有較多論述[6-8]綜合性介紹了仿真技術(shù)在風環(huán)境的應(yīng)用，國外也有人[9-10]總結(jié)了建筑風環(huán)境仿真中的關(guān)注點和關(guān)鍵技術(shù)， 他們對建筑風環(huán)境仿真技術(shù)起到了很好的推動作用。也有很多探討了仿真過程中所使用的網(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]對結(jié)構(gòu)網(wǎng)格和非結(jié)構(gòu)網(wǎng)格進行了詳細的論述，并指出了網(wǎng)格發(fā)展的一些技術(shù)難點和方向。T-O Hagbo等[13]論述了結(jié)構(gòu)網(wǎng)格和非結(jié)構(gòu)網(wǎng)格對高大建筑風環(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)格計算的結(jié)果大致是相同的，對于關(guān)注整體流動情況的模擬來說，選擇結(jié)構(gòu)網(wǎng)格或者非結(jié)構(gòu)網(wǎng)格都是可行的。對于使用OpenFOAM進行建筑風環(huán)境的仿真國內(nèi)還較少，王碩等[14]使用OpenFOAM對正弦形沙丘表面流場特性進行了研究，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)目對流場的影響。Kastner等[15]用OpenFOAM在虛擬風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]完成了三個建筑風環(huán)境的仿真，其中一個算例是使用OpenFOAM完成的，目標是完成一些驗證工作。Mohan等[17]在完成建筑風環(huán)境的計算后，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)格對計算結(jié)果的影響，有的研究了不同網(wǎng)格數(shù)量對計算結(jié)果的影響，有的關(guān)注計算完成后的后處理。本文則借助OpenFOAM的自動網(wǎng)格生成工具及求解器，進行網(wǎng)格生成和模擬計算，主要論述不同網(wǎng)格量和不同的網(wǎng)格類型對建筑風環(huán)境計算的影響。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

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

2.1 實際建筑模型和計算使用的建筑表面網(wǎng)格模型

假設(shè)有一個實際建筑，該建筑整體呈一個圓柱形，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)格模型外形的對比如圖2所示，為了便于觀察，僅取一個與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，與實際建筑存在差異，貼體網(wǎng)格模型與實際建筑的外輪廓基本一致，因為在貼體的作用下，建筑表面網(wǎng)格附近的節(jié)點與建筑表面相貼合。

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，同時支持邊界層網(wǎng)格的生成，能夠很好地描述建筑的實際外輪廓。

2 計算模型

2.1 模型介紹

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

(a)算例模型

(b)考察區(qū)域圖4 計算模型和風速考察區(qū)域

2.2 網(wǎng)格尺寸和數(shù)量

為了分析對比貼體網(wǎng)格與非貼體網(wǎng)格的計算結(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)量見表1所示。

表1 不同網(wǎng)格類型算例的網(wǎng)格數(shù)量

3 計算結(jié)果分析

3.1 計算設(shè)置

本文計算案例收斂判斷即計算停止的精度標準為10-4。計算采用的湍流模型為k-e模型，工況為冬季工況，風速方向為北風，風速大小為4.7m/s，入口邊界條件為大氣入口邊界。整個計算域根據(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 風速云圖

計算生成的風速云圖如圖5所示，以A3和B3算例為例。風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面(下方區(qū)域)可以看出，非貼體網(wǎng)格和貼體網(wǎng)格計算的結(jié)果有明顯的差異。更具體的分析參見下文中的數(shù)據(jù)分析。

(a)風速云圖A3

(b)風速云圖B3圖5 風速云

3.3 風速達標情況

綠建風環(huán)境評價時通?？疾斓氖侨诵袇^(qū)5m/s的風速情況，為了對比研究網(wǎng)格對計算結(jié)果的影響，將六個算例的目標建筑附近的風速達標情況進行對比，如圖6所示。

(a)A1 達標情況 (b)A2 達標情況 (c)A3 達標情況

(d)B1 達標情況 (e)B2 達標情況 (f)B3 達標情況圖6 六個算例的達標情況

通過5m/s的風速達標圖可以看出，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，同時生成邊界層網(wǎng)格，能較好地計算并考慮靠近建筑墻壁面的流動情況。而非貼體網(wǎng)格由于建筑表面網(wǎng)格呈鋸齒形，并且沒有邊界層，因而不能很好地體現(xiàn)建筑近壁面的流動情況，因此在高風速區(qū)的識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)，建筑附件的流動越來越靠近建筑表面，并且高風速占比(紅色區(qū)域)越來越多。

對紅線范圍內(nèi)的人行區(qū)進行風速面積占比統(tǒng)計，數(shù)據(jù)統(tǒng)計結(jié)果如表2所示。

表2 結(jié)果統(tǒng)計

非貼體網(wǎng)格的計算結(jié)果隨表面網(wǎng)格尺寸的變化規(guī)律不明顯，三個不同的表面網(wǎng)格尺寸計算結(jié)果相接近，處于任意風速帶的風速面積相差不大。而貼體網(wǎng)格的計算結(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的風速面積比例隨著建筑表面網(wǎng)格尺寸的減小而增加。

通過絕對值觀察有時并不明顯，因為人行區(qū)的整體面積大小會削弱高風速區(qū)的比例，下面僅針對非貼體和貼體網(wǎng)格的1m尺寸的結(jié)果進行相對比例的分析， 對比如圖7 所示。

圖7 非貼體1m與貼體1m的風速面積統(tǒng)計對比

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

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

表3 不同算例達標面積百分比

0～5m/s的達標面積百分比隨著計算網(wǎng)格精度的提高(建筑表面網(wǎng)格越來越小)而逐漸降低，表明計算統(tǒng)計得到的高風速區(qū)域面積越來越多，同時也能看出貼體網(wǎng)格計算的高風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)格在高風速的統(tǒng)計和低風速的統(tǒng)計上都比非貼體的高。同時也能得出，非貼體網(wǎng)格的所統(tǒng)計的面積占比最多的是中間風速。

造成這一現(xiàn)象的原因，主要是因為非貼體網(wǎng)格無法非常準確地計算靠近建筑附近的流動情況，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計算才更合理。

4 結(jié)論與改進

通過上面的分析可以看出，在綠建室外風環(huán)境仿真的時候，建議使用貼體網(wǎng)格，可以比較準確地計算出靠近建筑周邊的流動情況，如果使用非貼體網(wǎng)格，建筑周邊的風速整體偏低。如果使用貼體網(wǎng)格計算出來的人行區(qū)風速較高，設(shè)計人員可以在高風速地區(qū)的上風速地帶設(shè)計一些比較高大的綠化帶，來降低風速。

本文從應(yīng)用層面探討不同網(wǎng)格尺寸和網(wǎng)格類型對建筑風環(huán)境計算統(tǒng)計結(jié)果的影響，僅從數(shù)值模擬的計算結(jié)果出發(fā)，得出貼體網(wǎng)格的計算結(jié)果更加符合真實情況。同時，本文進行模擬計算時也沒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)將在這幾個方面繼續(xù)深入研究，進一步改進室外風環(huán)境模擬計算統(tǒng)計結(jié)果的準確性。