基于CFD的考虑建筑体穿流效应的建筑风环境评估方法技术

本发明专利技术实施例提供了基于CFD的考虑建筑体穿流效应的建筑风环境评估方法，采用多孔介质单元模拟目标建筑单体，进而模拟整个建筑群，并不需要对构建出的目标建筑单体模型进行开窗模式的研究，而是借助多孔介质单元的多孔作为窗，对目标建筑单体进行研究。对于构建“透气性”建筑单体，提高城市建筑单体模拟精度具有积极意义。本发明专利技术实施例中所提出的方法较实景室内遮挡物三维模拟计算量大大缩减，有望将高精度CFD数值仿真计算的一般建筑物及街区尺度(

【技术实现步骤摘要】
基于CFD的考虑建筑体穿流效应的建筑风环境评估方法
本专利技术实施例涉及流体力学建筑风环境
，更具体地，涉及基于CFD的考虑建筑体穿流效应的建筑风环境评估方法。
技术介绍
随着社会的发展，城市化进程的加快，城市中高层建筑在建造过程中不仅需要考虑建筑本身的空气流通状况，还要考虑建筑引起的风环境的变化。高层建筑之间成为风通过的路径，狭窄的风通道形成了“巷道效应”，使得该区域内风速明显加快，从而引起在行人在行走和活动的过程中不安全和不舒适的问题。目前，通常采用风洞模拟试验和计算机数值化模拟风环境这两种方式开展对对建筑的动力学扩散机制的研究工作。其中，风洞模拟试验(wind-tunneltesting)是指在风洞中安置飞行器或其他物体模型，研究气体流动及其与模型的相互作用，以了解实际飞行器或其他物体的空气动力学特性的一种空气动力实验模拟方法。计算机数值模拟风环境主要是采用计算流体力学(ComputationalFluidDynamics，CFD)数值模拟，CFD数值模拟与风洞模拟试验相比，成本低、耗时短，更容易得到丰富的流场结果信息，且更容易对参数变化进行敏感性分析，模拟较复杂的真实流动情况也较容易实现。在建筑风环境模拟方面，已有大量的工作。但是，风洞模拟试验虽然能够比较准确地推演建筑风环境，但实验所需环境规模较大，而且仪器昂贵，因此并不适合用来测试不同环境参数下的模拟需要。而CFD数值模拟，虽然具有风洞模拟试验没有的优点，但是由于受限于湍流理论本身不完善和湍流模型的适应范围以及计算方法的适应性，导致采用CFD数值模拟这种方法的可靠性还需要经过后期实验进行验证，增加了复杂性。而且，对于每一不同的建筑来说均需要确定一个合适的湍流模型，大大增加了计算量。
技术实现思路
为克服上述问题或者至少部分地解决上述问题，本专利技术实施例提供了一种基于CFD的考虑建筑体穿流效应的建筑风环境评估方法。一方面，本专利技术实施例提供了一种基于CFD数值模拟的考虑建筑体穿流效应的建筑风环境评估方法，包括：基于多孔介质单元，对具有目标孔隙率的目标建筑单体进行计算流体力学CFD数值模拟，确定计算域的风速以及所述计算域的进风口、出风口之间的压降，以评估所述目标建筑单体周围的流场和压降；所述多孔介质单元具有预设惯性阻力系数和预设粘性阻力系数；其中，在进行所述CFD数值模拟时，建立多孔介质单元模型，并确定所述多孔介质单元模型在所述计算域中的控制方程和动量方程源项；基于所述控制方程和所述动量方程源项，确定所述多孔介质单元模型周围的流场和压降，并将确定的所述多孔介质单元模型周围的流场和压降作为所述目标建筑单体周围的流场和压降。另一方面，本专利技术实施例提供了一种基于CFD数值模拟的考虑建筑体穿流效应的建筑风环境评估系统，包括：风环境评估模块，用于基于多孔介质单元，对目标建筑单体进行计算流体力学CFD数值模拟，确定计算域的风速以及所述计算域的进风口、出风口之间的压降，以评估所述目标建筑单体周围的流场和压降；测算所述多孔介质单元当代表建筑单体时具有预设惯性阻力系数和预设粘性阻力系数；其中，在进行所述CFD数值模拟时，建立多孔介质单元模型，并确定所述多孔介质单元模型在所述计算域中的控制方程和动量方程源项；基于所述控制方程和所述动量方程源项，确定所述多孔介质单元模型周围的流场和压降，并将确定的所述多孔介质单元模型周围的流场和压降作为所述目标建筑单体周围的流场和压降。本专利技术实施例提供的基于CFD的考虑建筑体穿流效应的建筑风环境评估方法，采用多孔介质单元模拟目标建筑单体，并不需要对构建出的目标建筑单体模型进行开窗模式的研究，而是借助多孔介质单元的多孔作为窗，对目标建筑单体进行研究。对于构建“透气性”建筑单体，提高城市建筑单体模拟精度具有积极意义。本专利技术实施例中所提出的该种方法较实景室内遮挡物三维模拟计算量大大缩减，有望将高精度CFD数值仿真计算的一般建筑物及街区尺度(<1km)推进至城区尺度(<10km)，为城市规划设计者和政府决策建设资源可持续型城市提供的科学佐证。解决了何种城市下垫面布局及形态(建筑单体、建筑群和街廓形态)有利于大气颗粒的动力学扩散问题，为城市大气环境规划和设计提供科学依据。附图说明为了更清楚地说明本专利技术实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作一简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本专利技术的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。图1为本专利技术实施例提供的一种基于CFD的考虑建筑体穿流效应的建筑风环境评估方法的流程示意图；图2为本专利技术实施例提供的一种基于CFD的考虑建筑体穿流效应的建筑风环境评估方法的计算域的结构示意图；图3(a)为本专利技术实施例提供的一种基于CFD的考虑建筑体穿流效应的建筑风环境评估方法中孔隙率为10％的第一类样本多孔介质单元的流场压场曲线图；图3(b)为本专利技术实施例提供的一种基于CFD的考虑建筑体穿流效应的建筑风环境评估方法中孔隙率为20％的第一类样本多孔介质单元的流场压场曲线图；图3(c)为本专利技术实施例提供的一种基于CFD的考虑建筑体穿流效应的建筑风环境评估方法中孔隙率为30％的第一类样本多孔介质单元的流场压场曲线图；图4(a)为本专利技术实施例提供的一种基于CFD的考虑建筑体穿流效应的建筑风环境评估方法中长方体第二类样本多孔介质单元的流场、压场曲线示意图；图4(b)为正方体第二类样本多孔介质单元的流场、压场曲线示意图；图5(a)为本专利技术实施例提供的一种基于CFD的考虑建筑体穿流效应的建筑风环境评估方法中风向与迎风面法线平行、风速为2m/s时第一类流场分布的等值线图，图5(b)为本专利技术实施例提供的一种基于CFD的考虑建筑体穿流效应的建筑风环境评估方法中风向与迎风面法线平行、风速为2m/s时第二类流场分布的等值线图，图5(c)为本专利技术实施例提供的一种基于CFD的考虑建筑体穿流效应的建筑风环境评估方法中风向与迎风面法线夹角为135°、风速为4m/s时第一类流场分布的等值线图，图5(d)为本专利技术实施例提供的一种基于CFD的考虑建筑体穿流效应的建筑风环境评估方法中风向与迎风面法线夹角为135°、风速为4m/s时第二类流场分布的等值线图；图6(a)为本专利技术实施例提供的一种基于CFD的考虑建筑体穿流效应的建筑风环境评估方法中风向与迎风面法线平行、风速2米/秒时第三类流场分布的等值线图，图6(b)为本专利技术实施例提供的一种基于CFD的考虑建筑体穿流效应的建筑风环境评估方法中风向与迎风面法线平行、风速2米/秒时第四类流场分布的等值线图，图6(c)为本专利技术实施例提供的一种基于CFD的考虑建筑体穿流效应的建筑风环境评估方法中风向与迎风面法线夹角为45°、风速为4m/s时第三类流场分布的等值线图，图6(d)为本专利技术实施例提供的一种基于CFD的考虑建筑体穿流效应的建筑风环境评估方法中风向与迎风面法线夹角为45°、风速为4m/s时第四类流场分布的等值线图；图7为本专利技术实施例提供的一种基于CFD的考虑建筑体穿流效应的建筑风环境评估系统的结构示意图。具体实施方式为使本专利技术实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本专利技术实本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种基于CFD的考虑建筑体穿流效应的建筑风环境评估方法，其特征在于，包括：基于多孔介质单元，对具有目标孔隙率的目标建筑单体进行计算流体力学CFD数值模拟，确定计算域的风速以及所述计算域的进风口、出风口之间的压降，以评估所述目标建筑单体周围的流场和压降；所述多孔介质单元具有预设惯性阻力系数和预设粘性阻力系数；其中，在进行所述CFD数值模拟时，建立多孔介质单元模型，并确定所述多孔介质单元模型在所述计算域中的控制方程和动量方程源项；基于所述控制方程和所述动量方程源项，确定所述多孔介质单元模型周围的流场和压降，并将确定的所述多孔介质单元模型周围的流场和压降作为所述目标建筑单体周围的流场和压降。

【技术特征摘要】
1.一种基于CFD的考虑建筑体穿流效应的建筑风环境评估方法，其特征在于，包括：基于多孔介质单元，对具有目标孔隙率的目标建筑单体进行计算流体力学CFD数值模拟，确定计算域的风速以及所述计算域的进风口、出风口之间的压降，以评估所述目标建筑单体周围的流场和压降；所述多孔介质单元具有预设惯性阻力系数和预设粘性阻力系数；其中，在进行所述CFD数值模拟时，建立多孔介质单元模型，并确定所述多孔介质单元模型在所述计算域中的控制方程和动量方程源项；基于所述控制方程和所述动量方程源项，确定所述多孔介质单元模型周围的流场和压降，并将确定的所述多孔介质单元模型周围的流场和压降作为所述目标建筑单体周围的流场和压降。2.根据权利要求1所述的基于CFD的考虑建筑体穿流效应的建筑风环境评估方法，其特征在于，所述动量方程源项通过如下公式表示：其中，Si是第i维的动量方程源项，μ为常数，ρ是流体密度，|v|表示流体速度的绝对值，vi表示流体第i维速度，1/α为所述预设粘性阻力系数，C2是所述预设惯性阻力系数，i＝x、y或z。3.根据权利要求1所述的基于CFD的考虑建筑体穿流效应的建筑风环境评估方法，其特征在于，所述预设惯性阻力系数和所述预设粘性阻力系数根据预设参数确定，所述预设参数基于预设软件确定。4.根据权利要求3所述的基于CFD的考虑建筑体穿流效应的建筑风环境评估方法，其特征在于，所述预设参数通过如下确定方法确定：基于所述预设软件，构建相同形态、不同孔隙率的多个第一类样本多孔介质单元的三维模型，以模拟不同孔隙率的样本建筑单体，并确定所述计算域以及边界条件；基于多个第一类样本多孔介质单元的三维模型、所述计算域以及所述边界条件，分别计算每个第一类样本多孔介质单元的流场和压降；根据每个第一类样本多孔介质单元的流场和压降，分别确定每个第一类样本多孔介质单元的流场和压降之间的定量关系，并分别确定每个第一类样本多孔介质单元的惯性阻力系数和粘性阻力系数；若每个第一类样本多孔介质单元的惯性阻力系数均不相同，且每个第一类样本多孔介质单元的粘性阻力系数均不相同，则将所述目标建筑单体的目标孔隙率作为所述预设参数。5.根据权利要求4所述的基于CFD的考虑建筑体穿流效应的建筑风环境评估方法，其特征在于，所述确定方法还包括：基于所述预设软件，构建相同孔隙率、不同形态参数的多个第二类样本多孔介质单元的三维模型，以模拟不同形态参数的样本建筑单体，并确定所述计算域以及边界条件；基于多个第二类样本多孔介质单元的三维模型、所述计算域以及所述边界条件，分别计算每个第二类样本多孔介质单元的流场和压降；根据每个第二类样本多孔介质单元的流场和压降，分别确定每个第二类样本多孔介质单元的流场和压降之间的定量关系，并分别确定每个第二类样本多孔介质单元的的惯性阻力系数和粘性阻力系数；若每个第二类样本多孔介质单元的惯性阻力系数均不相同，且每个第...

【专利技术属性】
技术研发人员：刘芳，位帅帅，周命端，苏毅，魏菲宇，周俊，
申请(专利权)人：北京建筑大学，
类型：发明
国别省市：北京,11