建筑复杂外流场CFD仿真：湍流模型的应用艺术

前言

对于建筑行业，在复杂的情况下，无法直接进行实体试验及测量，而缩尺的实验既昂贵也同样有误差的问题，因此CFD常用来作为建筑设计在做通风分析、建筑物外流场分析的工具。通过对建筑外流场CFD分析，能得到建筑物表面的风压、建物对室外行人的影响以及为室外设备的位置设置等提供指导和建议。安世亚太自主开发的CAE软件PERA SIM具有非常优秀的CFD仿真能力。针对复杂流体域，PERA SIM提供了多种湍流模型进行复杂流场的捕捉，提供了全面的边界条件应付各种复杂工况，并提供鲁棒性强且高精度的流体求解器。该案例应用PERA SIM模拟建筑群风环境，评估高层建筑风载及其分布规律，详细介绍PERA SIM的建筑外流场CFD仿真流程。

一、网格导入

PERA SIM的网格导入接口可以导入多种网格格式，本案例导入的是msh格式的网格文件。

PERA SIM Fluid网格导入接口

导入的网格文件是某小区建筑，如图所示。为了精准计算建筑物表面的压力，建筑物表面和地面添加了5层的边界层网格。

PERA SIM显示建筑物外流场网格模型

二、材料赋予

建筑外流场的流体材料是空气，PERA SIM提供材料创建界面，输入空气的密度和粘度。

PERA SIM材料创建

将创建好的空气材料，赋予计算域。

材料赋予计算域

三、分析类型

PERA SIM对于CFD分析，提供了稳态分析和瞬态分析，对于本案例的建筑外流场，采用稳态分析即可。参考压力设置为一个大气压。由于建筑外流场属于强迫流动，不需要考虑重力的影响。

PERA SIM分析类型

四、湍流模型

PERA SIM提供了多种湍流模型供选择，如层流模型、S-A模型、k-epsilon模型、k-omega模型、Transition-SST模型等。

PERA SIM提供的湍流模型

对于建筑外流场，由于湍流强度和旋流不算太强，选取Standard k-epsilon湍流模型是合适的。

选取Standard k-epsilon湍流模型

五、边界条件

入口边界类型设置为速度入口，法向速度为10m/s。

入口边界类型

出口边界类型设置为压力出口，出口静压设置为0 Pa，回流方法为总压，回流方向为垂直于边界。

出口边界类型

对于剩下的边界，类型设置壁面，剪切条件类型为无滑移壁面，运动类型为静止。

壁面边界类型

六、分析任务

设置分析任务主要是设置求解方法、初始化、残差控制、求解器和输出控制。

求解方法选择SIMPLE算法。对于变量的空间离散格式，梯度采用高斯线性，压力采用线性，动量、湍动能和湍流耗散率采用一阶迎风。

求解方法设置

提供标准初始化的方法，按照默认值即可。

初始化设置

残差控制，即设置收敛标准，按照默认的每个变量设置为1e-5。

残差控制设置

求解器设置，主要是设置松弛因子。

求解器设置

输出控制，设置为稳态计算，迭代次数设置为200。输出控制下的迭代间隔设置为20，即每迭代20次，输出一次结果文件。

输出控制设置

到此，建筑外流场的模型已经设置完毕，PERA SIM软件树目录如下图所示。

PERA SIM仿真建筑外流场设置

七、分析求解

在作业节点，鼠标右键选择创建作业，保留默认设置，点击确定，形成作业-1的分析。点击右侧快速按钮打钩检查设置。无错误后，点击快速按钮计算器进行求解。

分析作业设置

八、结果显示

PERA SIM提供丰富的结果显示功能，如表面云图、剖面云图、流动迹线图等。如下图所示，需要选择显示的变量，然后选择结果文件，这里我们选择200意味显示迭代200次的结果文件。

显示变量和结果文件选取设置

建筑表面的压力分布

截面速度分布及流线图

为了验证计算精度，因为没有测试数据，所以选择了和商业软件Fluent仿真结果做对比。同一截面压力分布对比如下。

同一截面速度分布对比如下。

PERA SIM和fluent结果对比

通过本案例中展示的使用PERA SIM的流体力学仿真模块， 对建筑外流场仿真的详细操作流程，仿真结果与通用CFD求解器Fluent做对比，可以看出PERA SIM对外流场的仿真具有出色的计算精度、强的求解鲁棒性以及丰富的后处理功能。

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