基于湍流模型的建筑復雜外流場CFD仿真分析

安世亞太

2021年10月12日 15:17

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曾社銓

仿真應用工程師

對于建筑行業，在復雜的情況下，無法直接進行實體試驗及測量，而縮尺的實驗既昂貴也同樣有誤差的問題，因此CFD常用來作為建筑設計在做通風分析、建筑物外流場分析的工具。通過對建筑外流場CFD分析，能得到建筑物 表面的風 壓、 建物對室外行人的影響 以及 為室外設備的位置設置 等提供指導和建議。

安世亞太自主開發的CAE軟件PERA SIM具有非常優秀的CFD仿真能力。針對復雜流體域，PERA SIM提供了多種湍流模型進行復雜流場的捕捉，提供了 全面的邊界條件應付各種復雜工況，并提供魯棒性強且高精度的流體求解器。

該案例應用PERA SIM模擬建筑群風環境，評估高層建筑風載及其分布規律，詳細介紹PERA SIM的建筑外流場CFD仿真流程。

一、網格導入

PERA SIM的網格導入接口可以導入多種網格格式，本案例導入的是msh格式的網格文件。

PERA SIM Fluid網格導入接口

導入的網格文件是某小區建筑，如圖所示。為了精準計算建筑物表面的壓力，建筑物表面和地面添加了5層的邊界層網格。

PERA SIM顯示建筑物外流場網格模型

二、材料賦予

建筑外流場的流體材料是空氣，PERA SIM提供材料創建界面，輸入空氣的密度和粘度。

PERA SIM材料創建

將創建好的空氣材料，賦予計算域。

材料賦予計算域

三、分析類型

PERA SIM對于CFD分析，提供了穩態分析和瞬態分析，對于本案例的建筑外流場，采用穩態分析即可。參考壓力設置為一個大氣壓。由于建筑外流場屬于強迫流動，不需要考慮重力的影響。

PERA SIM分析類型

四、湍流模型

PERA SIM提供了多種湍流模型供選擇，如層流模型、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

對于建筑外流場，由于湍流強度和旋流不算太強，選取Standard k-epsilon湍流模型是合適的。

選取Standard k-epsilon湍流模型

五、邊界條件

入口邊界類型設置為速度入口，法向速度為10m/s。

入口邊界類型

出口邊界類型設置為壓力出口，出口靜壓設置為0 Pa，回流方法為總壓，回流方向為垂直于邊界。

出口邊界類型

對于剩下的邊界，類型設置壁面，剪切條件類型為無滑移壁面，運動類型為靜止。

壁面邊界類型

六、分析任務設置

分析任務主要是設置求解方法、初始化、殘差控制、求解器和輸出控制。

求解方法選擇SIMPLE算法。對于變量的空間離散格式，梯度采用高斯線性，壓力采用線性，動量、湍動能和湍流耗散率采用一階迎風。

求解方法設置

提供標準初始化的方法，按照默認值即可。

初始化設置

殘差控制，即設置收斂標準，按照默認的每個變量設置為1e-5。

殘差控制設置

求解器設置，主要是設置松弛因子。

求解器設置

輸出控制，設置為穩態計算，迭代次數設置為200。輸出控制下的迭代間隔設置為20，即每迭代20次，輸出一次結果文件。

輸出控制設置

到此，建筑外流場的模型已經設置完畢，PERA SIM軟件樹目錄如下圖所示。

PERA SIM仿真建筑外流場設置

七、分析求解

在作業節點，鼠標右鍵選擇創建作業，保留默認設置，點擊確定，形成作業-1的分析。點擊右側快速按鈕打鉤檢查設置。無錯誤后，點擊快速按鈕計算器進行求解。

分析作業設置

八、結果顯示

PERA SIM提供豐富的結果顯示功能，如表面云圖、剖面云圖、流動跡線圖等。如下圖所示，需要選擇顯示的變量，然后選擇結果文件，這里我們選擇200意味顯示迭代200次的結果文件。

顯示變量和結果文件選取設置

建筑表面的壓力分布如下圖。

建筑表面的壓力分布

截面速度分布及流線圖如下。

為了驗證計算精度，因為沒有測試數據，所以選擇了和商業軟件Fluent仿真結果做對比。同一截面壓力分布對比如下。

基于湍流模型的建筑復雜外流場CFD仿真分析的圖24

同一截面速度分布對比如下。

表：PERA SIM和fluent結果對比

	PERA SIM	ANSYS Fluent	誤差（%）
求解時間（min）	17	19	/
最大壓力（Pa）	89.02	91.58	-2.80
最小壓力（Pa）	-134.54	-134.08	0.34
最大速度（m/s）	16.33	16.12	0.68