作者：曾社銓，仿真應用工程師

來源：本文為安世亞太原創作品，上海安世亞太授權轉載

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前言

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。

 

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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

 

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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

 

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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

 

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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

 

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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

 

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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

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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

 

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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

截面速度分布及流線圖

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。

同一截面速度分布對比如下。

PERA SIM和fluent結果對比

通過本案例中展示的使用PERA SIM的流體力學仿真模塊， 對建筑外流場仿真的詳細操作流程，仿真結果與通用CFD求解器Fluent做對比，可以看出PERA SIM對外流場的仿真具有出色的計算精度、強的求解魯棒性以及豐富的后處理功能。