一种基于CFD与GIS的超大城市风环境模拟方法技术

本发明专利技术公开了一种基于CFD与GIS的超大城市风环境模拟方法，属于风环境模拟领域。所述方法获取待研究城市的建筑物数据，并采用GIS方法得到建筑立面栅格与建筑高度栅格；再通过栅格运算与重分类对建筑立面栅格与建筑高度栅格进行简化，得到简化建筑密度栅格与简化建筑容积高度栅格，并计算生成建筑块栅格；将建筑块栅格转化为三维建筑块实体；建立CFD数值模拟的计算域，并对计算域进行离散化；设置CFD数值模拟的边界条件与湍流模型，对计算域进行初始化并完成数值求解，模拟得到当前城市风场。本发明专利技术以几十米的空间分辨率准确刻画了建筑三维空间形态对城市风环境的影响，缩短了模拟周期，降低了计算成本。降低了计算成本。降低了计算成本。

【技术实现步骤摘要】
一种基于CFD与GIS的超大城市风环境模拟方法


[0001]本专利技术属于城市风环境模拟领域，具体涉及一种基于CFD与GIS的超大城市风环境模拟方法。

技术介绍

[0002]城市风环境是近地面自然风在城市下垫面影响下形成的风速与风向的分布情况，城市风环境影响人们的体感舒适度、城市空气质量等。随着城市规模的扩大，尤其对于城区常住人口在1000万以上的超大城市，密度与高度较大的建筑群对周围的风速产生了显著的削弱作用，不仅容易造成严重的城市风环境问题，还可能降低城市内居民的热舒适度，并可能使大气污染物在城区聚集，从而降低空气质量，因此，需要对超大城市内的风速与风向进行高空间分辨率数值模拟从而为改善城市风环境提供科学依据。
[0003]现有技术中，通常采用实地观测与数值模拟相结合的方法来获取城市风场。实地观测方法由于城市中的观测站点分布稀疏，且需要耗费大量人力和物力进行风速、风向测量，虽然能获取时间连续的离散观测值，但是很难获得区域或者空间连续的风场。中尺度模式可以模拟城市风场，但也受限于模式机理无法获取百米尺度以下的城市风场，无法满足获取几十米空间分辨率的风场来探究建筑三维空间形态对城市风环境影响的需求。此外，城市中大量三维空间形态复杂的建筑对风环境模拟带来较大的计算成本。

技术实现思路

[0004]鉴于现有技术中的上述缺陷或不足，本专利技术旨在提供一种基于CFD与GIS的超大城市风环境模拟方法，用以实现超大城市几十米空间分辨率风环境的数值模拟。为了实现上述目的，本专利技术实施例采用如下技术方案：<br/>[0005]一种基于CFD与GIS的超大城市风环境模拟方法，包括如下步骤：
[0006]步骤S1，获取待研究城市的建筑物数据，并采用地理信息系统GIS软件中的矢栅转换工具将建筑物数据中的建筑矢量多边形转换为建筑立面栅格与建筑高度栅格；
[0007]步骤S2，通过GIS软件中的栅格运算工具与重分类工具将建筑立面栅格与建筑高度栅格转换为简化建筑密度栅格与简化建筑容积高度栅格，并进一步将简化建筑密度栅格与简化建筑容积高度栅格转换为建筑块栅格；
[0008]步骤S3，在CAD软件中将建筑块栅格转化为三维建筑块实体，以刻画建筑物的三维空间形态；
[0009]步骤S4，在计算流体力学CFD软件中建立CFD数值模拟的计算域，在所述计算域中使用所述三维建筑块实体刻画建筑物的三维空间形态，并使用非结构化网格对计算域进行离散化；
[0010]步骤S5，在CFD软件中设置湍流模型参数、边界条件与求解器，对计算域进行初始化并完成数值求解，模拟当前城市风场。
[0011]上述方案中，步骤S1的建筑立面栅格中，使用二元值a与b表示栅格对应的像元是
否被建筑覆盖；建筑高度栅格中，使用建筑高度属性表示建筑的高度，所述建筑高度属性使用大于等于0的实数表示。
[0012]上述方案中，步骤S2包括：
[0013]步骤S21，建立覆盖建筑立面栅格或建筑高度栅格的连续格网，该格网由形状大小一致的单元构成，单元的边长R由建筑密度与城市道路宽度决定；采用栅格运算工具对单元内的建筑密度与建筑容积高度进行分区统计，生成建筑密度栅格与建筑容积高度栅格；
[0014]步骤S22，使用GIS栅格运算工具对建筑密度栅格进行重分类，使用二元值c与d分别表示不含建筑覆盖的区域与含建筑物覆盖的区域，得到简化建筑密度栅格；采用相等间隔分类方法对建筑容积高度栅格进行重分类得到简化建筑容积高度栅格；使用栅格计算工具将简化建筑密度栅格和简化建筑容积高度栅格转换为建筑块栅格。
[0015]上述方案中，所述采用栅格运算工具对单元内的建筑密度与建筑容积高度进行分区统计，采用建筑覆盖率C与建筑容积高度Hv
o
l来表示单元内的建筑密度与建筑容积高度，计算方法如公式(1)和(2)所示：
[0016][0017][0018]式(1)和(2)中，S
c，i
表示第i个边长为R的单元的面积，S
j
表示S
c，i
范围内第j个建筑要素的立面面积，h
j
表示S
j
的高度属性。
[0019]上述方案中，步骤S3包括：
[0020]步骤S31，使用GIS软件中的栅矢转换工具将建筑块栅格转换为建筑块矢量，栅格属性值被转换为建筑块的高度属性；所述的建筑块栅格使用简化后的建筑容积高度值表示建筑块的高度，使用像元值0表示除建筑块以外的其他区域；
[0021]步骤S32，使用CAD软件将建筑块矢量转换为三维建筑块实体；所述转换方法为：使用GIS软件将建筑块矢量导出为建筑块三维多段线，并使用CAD软件中的拉伸工具将所述建筑块三维多段线转换为建筑块三维实体，拉伸高度为建筑块矢量的高度属性值，从而将建筑块矢量转换为三维建筑块实体。
[0022]上述方案中，步骤S4包括：
[0023]步骤S41，依据待研究城市与三维建筑块实体建立CFD数值模拟的计算域，建立计算域的方法为：在CAD软件中建立计算域三维实体；所述计算域的边界包括底边界、侧边界、顶边界与建筑表面；使用布尔运算工具将计算域三维实体与三维建筑块实体求减运算；
[0024]步骤S42，对计算域进行非结构化网格划分，包括面网格尺寸与体网格尺寸的设置；将建筑表面网格的最大尺寸设置为单元边长R，将最小面网格的尺寸限制在2/3R；底边界表面网格的最大尺寸设置为100m以下，底边界、侧边界、顶边界与建筑表面的面网格增长率为1.05以下，以保证核心计算域至侧边界网格尺寸的均匀过度。
[0025]上述方案中，所述计算域的范围包括水平范围和垂直范围，水平范围H
hor
与垂直范围H
ver
分别由待研究城市的水平范围H
city
与三维建筑块实体高度的最大值H
max
决定，且H
hor
应为H
city
的五倍以上，H
ver
至少达到待研究城市的边界层高度；所述核心计算域为水平范围为H
city
的CFD数值模拟核心区域。
[0026]上述方案中，步骤S5包括：
[0027]步骤S51，在CFD软件中设置湍流模型及相关模拟参数；
[0028]步骤S52，设置CFD数值模拟的边界条件；
[0029]步骤S53，设置CFD数值模拟的求解器与CFD数值模拟的初始化方法，并对计算域进行初始化与迭代求解。
[0030]上述方案中，所述湍流模型为基于雷诺平均方法的湍流模型。
[0031]上述方案中，所述边界条件包括：顶边界为对称边界或无滑移壁面，底边界与建筑表面为无滑移壁面，出口边界为自由流，侧边界为速度入口，速度入口采用指数风剖面定义风速，计算方法如公式(3)所示：
[0032][0033]式(3)中，z0为参考风速v0的高度，α为与地貌类别与海拔高度相关的地面风压高度变化系数；风速入口本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种基于CFD与GIS的超大城市风环境模拟方法，其特征在于，包括如下步骤：步骤S1，获取待研究城市的建筑物数据，并采用地理信息系统GIS软件中的矢栅转换工具将建筑物数据中的建筑矢量多边形转换为建筑立面栅格与建筑高度栅格；步骤S2，通过GIS软件中的栅格运算工具与重分类工具将建筑立面栅格与建筑高度栅格转换为简化建筑密度栅格与简化建筑容积高度栅格，并进一步将简化建筑密度栅格与简化建筑容积高度栅格转换为建筑块栅格；步骤S3，在CAD软件中将建筑块栅格转化为三维建筑块实体，以刻画建筑物的三维空间形态；步骤S4，在计算流体力学CFD软件中建立CFD数值模拟的计算域，在所述计算域中使用所述三维建筑块实体刻画建筑物的三维空间形态，并使用非结构化网格对计算域进行离散化；步骤S5，在CFD软件中设置湍流模型参数、边界条件与求解器，对计算域进行初始化并完成数值求解，模拟当前城市风场。2.根据权利要求1所述的基于CFD与GIS的超大城市风环境模拟方法，其特征在于，步骤S1的建筑立面栅格中，使用二元值a与b表示栅格对应的像元是否被建筑覆盖；建筑高度栅格中，使用建筑高度属性表示建筑的高度，所述建筑高度属性使用大于等于0的实数表示。3.根据权利要求1所述的基于CFD与GIS的超大城市风环境模拟方法，其特征在于，步骤S2包括：步骤S21，建立覆盖建筑立面栅格或建筑高度栅格的连续格网，该格网由形状大小一致的单元构成，单元的边长R由建筑密度与城市道路宽度决定；采用栅格运算工具对单元内的建筑密度与建筑容积高度进行分区统计，生成建筑密度栅格与建筑容积高度栅格；步骤S22，使用GIS栅格运算工具对建筑密度栅格进行重分类，使用二元值c与d分别表示不含建筑覆盖的区域与含建筑物覆盖的区域，得到简化建筑密度栅格；采用相等间隔分类方法对建筑容积高度栅格进行重分类得到简化建筑容积高度栅格；使用栅格计算工具将简化建筑密度栅格和简化建筑容积高度栅格转换为建筑块栅格。4.根据权利要求3所述的基于CFD与GIS的超大城市风环境模拟方法，其特征在于，所述采用栅格运算工具对单元内的建筑密度与建筑容积高度进行分区统计，采用建筑覆盖率C与建筑容积高度H
vol
来表示单元内的建筑密度与建筑容积高度，计算方法如公式(1)和(2)所示：所示：式(1)和(2)中，S
c，i
表示第i个边长为R的单元的面积，S
j
表示S
c，i
范围内第j个建筑要素的立面面积，h
j
表示S
j
的高度属性。5.根据权利要求1所述的基于CFD与GIS的超大城市风环境模拟方法，其特征在于，步骤S3包括：步骤S31，使用GIS软件中的栅矢转换工具将建筑块栅格转换为建筑块矢量，栅格属性值被转换为建筑块的高度属性；所述的建筑块栅格使...

【专利技术属性】
技术研发人员：刘睿，张俞，陈振宇，陈晗恺，
申请(专利权)人：上海师范大学，
类型：发明
国别省市：