环境与气象模拟：CFD解决方案详解

自然环境与人类的生存息息相关，而人类的为了生存以及发展，无时无刻需要对自然环境进行改造，以从自然界获得生存发展所必须的物质资料以及把自然环境改造成适于人类生活的人居环境。当代，随着科技的发展，大片大片城市群已耸立于地球之上，但是，随着而来的是大量的环境问题，如大气污染、雾霾、水资源的污染等，这些都将影响到人类环境的可持续发展。

为了更好的对自然环境进行改造，已获得人类与自然和谐发展的环境，需要更多的手段来对自然环境及人居环境进行探索。而利用ANSYS CFD技术对大气环境、建筑风环境、水环境等进行探索的手段，大有发展潜力。

从大的方向，ANSYS CFD对环境及气象方面的研究与探索可以从城市热环境、建筑风环境、大气污染物扩散三个方面进行。

1、城市热环境

在城市的生态环境问题中，城市热环境问题是极为重要的一个方面。现代城市在快速发展过程中只注重经济发展而不注重环境和地域特点的保护，现在的大都市普遍均一化，地域特色不足，尤其缺乏对地域气候的适应性。在我国的夏热冬冷地区，夏季炎热的气候条件使不少城市难以达到宜居环境的标准。而目前的气候调节方式以人工调节为主。这种方式需要耗费大量的能源，并且对环境造成污染。这个问题在当前我国能源紧张的环境下显得尤为突出。更为重要的是，消耗能源所产生的热量，使城市热岛效应更为强烈，增加环境、气候变化的脆弱性。另一方面，城市规划中往往不会将绿地、水体等自然资源对区域小气候的调节作为规划中的主要考虑因素。如何通过建立人与自然的和谐机制，充分利用城市现有自然资源和气候条件，形成良好的人地关系，成为现今城市急待解决的问题。

因而现阶段，利用ANSYS CFD仿真技术分析基于气候、生态环境的城市热环境状况，并为城市设计和城市规划服务，逐渐成为解决城市热环境问题的一个重要手段。

利用CFD进行城市和城区的热环境分析，主要利用风环境作为城市热环境变化的主要流通手段。而且城市的热岛效应也是依靠通风状况来进行缓解。因此城市热环境的好坏与城市风环境息息相关，成为研究的重点。

某市夏季白天市区温度分布（右）和晚上市区温度分布（左）

某市水体水温不同时的市区温度分布

2、建筑风环境

利用ANSYS CFD对建筑物风环境的研究，首先可以为建筑设计师提供建筑物的风载荷，帮助设计师优化建筑物的气动外形，以及为设计建筑物，尤其是高大建筑物的阻力减震系统设计提供依据。

另外，建筑物风载的提供，还为大型建筑的表面装饰工程以及建筑物的内部通风或者空调系统安置提供依据。而基于地域性气候的建筑群风环境的研究，也可以为区域的城市规划或建筑群的规划布置提供依据。

目前已经趋于完全成熟的ANSYS CFD仿真技术目前也广泛用于建筑物风环境的流场数值模拟，并取得了显著的效果。当前，采用ANSYS CFD可以极大地缩减建筑工程的实验成本和设计周期，从而缩减建筑物，特别是超级建筑工程的建设费用。而在不久的将来，在建筑物风环境的研究上，人们的研究手段将更多地转变到以CFD仿真为主，实验为辅的方式上来。

悉尼市政在规划城市风环境的时候，使用ANSYS CFD工具对城市进行风环境预测，研究城市规划对风场的影响，为城市规划提供依据。

城市模型

西风下的风环境

南风下的风环境

3、大气污染物扩散预测

随着我国的城市化发展，城市的大气污染问题相伴而生。城市规模的日益扩大，城市布局的日益复杂，大量高大的建筑物的出现对大气流动造成显著的影响，进而也影响到大气中的污染物迁移扩散。目前我国用于评价城市大气污染物迁移扩散的计算模型都是基于统计学理论的高斯模型。这类模型仅适用于污染源周边建筑物较矮，高空有开敞的扩散空间的情况，而不是用于有高大建筑物的情况，更无法对局部微观的环境污染物浓度进行评估。因而，利用ANSYS CFD流体分析工具对局部复杂的城市大气环境污染物的迁移扩散进行预测将成为发展趋势，并且大有应用前景。

城市污染物的来源通常来自于工业企业的生产过程、生活炉灶与采暖锅炉的排放以及交通运输等。利用ANSYS CFD可以准确对这些污染物的扩散进行预测，以指导城市规划中如何避免污染灾害的发生或减少灾害的损失，并通过对污染物扩散的预测来帮助制定灾害发生时候的逃生路线。

城市污染物扩散过程研究

下图纽约曼哈顿区域世贸中心倒塌分析，研究粉尘扩散的过程，为类似的突发事件提供疏散路径和安全位置。

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