在過去，模擬 復雜的氣流圍繞建筑物 及其 周圍環境， 需要通過長時間的 風洞 實驗，同時還需要 大型設備 和 技術 專家。 而 現在，許多實驗測試正在被計算流體力學 (CFD)模擬所取代。 結合這兩種方法并發揮各自優勢在今天的 工程 應用 中 普遍使用的 。 來自 WindStyle 公司 的 松山先生 多年來一直使用 scSTREAM， 他希望能探索 CFD更多的可能性 。 他解釋了如何 有前瞻性的 使用 scSTREAM 去詮釋風場 可以改變設計過程和建筑管理。

  

松山先生，WindStyle公司總裁兼首席執行官

使用scSTREAM模擬建筑物周圍的風

WindStyle公司是一家由風工程咨詢專家組成的公司。總裁兼首席執行官松山先生最初是在日本大學工業技術學院建筑工程系的EizoMaruta教授的指導下學習的。松山先生研究了使用風洞測試的風模擬。當他在日本最大的建筑工程和建筑公司之一的Kumagai Gumi Co., Ltd（熊谷組）工作時，他第一次了解到了scSTREAM。

松山先生于1998年加入Kumagai Gumi擔任風工程師。“scSTREAM能夠提供公司技術研究，但它沒有得到充分的利用，“松島先生回憶道。

“我感到一股靈感的火花”，我想scSTREAM能做更多有趣的事情。

我開始使用該軟件，并意識到硬件能力不夠好，無法得到實際的結果。“盡管硬件上存在不便，松山先生還是繼續使用該軟件。“回到過去，我只能用一百萬個網格簡單地模擬整個流場。我相信，在不久的將來，模擬的使用將比風洞測試占更主導地位。“松山先生于2003年離開Kumagai Gumi公司熊谷組創辦了自己的公司，他繼續在他的咨詢業務中使用scSTREAM進行與風工程相關的項目。

 

松山先生的興趣之一包括評估高層住宅和高層建筑周圍的風。這項工作的要求來自商業房地產公司和總承包商，他們需要知道環境在之后是否對建筑有不利影響。松山先生接受大型房地產商和總承包商的委托，對新建建筑物時的前后進行風的變化的模擬，并總給出報告，提出了改善和變更的建議。

 

為了使用scSTREAM模擬建筑物附近的風環境，除了計劃的建筑物外，還必須在模型中考慮周圍影響。這些包括周圍的建筑物、樹木、綠色和地理特征。松山先生認為，仔細定義這些條件和參數有助于初始設置。他的團隊從航空調查和谷歌地球等資源收集地理數據。周圍環境的照片和他們的實地測量工作也結合起來。SketchUp用于整體模型，根據收集到的數據，將其轉換為STL文件格式。采用scSTREAM前處理器生成網格，設置屬性和邊界條件。計算如下圖1和2所示。

 

圖1. 建筑規劃及周邊區域的三維幾何數據

圖2. 工作流程圖

關于風環境，使用根據年間強風的發生頻率來判斷的“村上評價”。預測一天中最大瞬間風速超過10?15?20 m/s的天數，根據這些天數對等級1～4進行評價。為此制作模型，在STREAM?對16個方位進行模擬。因為是在建造建筑物之前和之后的兩種狀態下進行模型，所以分析至少達到32例。

 

 

有利于CFD軟件和風洞實驗的最佳組合的STREAM

“我喜歡scSTREAM的是它與其他軟件的高度兼容性。靈活的輸入輸出功能是另一個優點。我可以選擇。

當我為城市模型的一個區域導入映射數據時，一系列的輸入格式。我還可以創建自己的腳本并執行分析。我們的團隊創建了自己的工具來調整基于網格坐標的分析結果的可視化，使結果看起來平滑“松山先生解釋。他的客戶和業務伙伴不熟悉CFD模擬，他們發現更容易理解可視化分析報告。據松山先生說，優秀的定制能力的scSTREAM使我們與客戶聯系更為緊密。“與Cradle工程師討論絕對有幫助。他們理解我的需求，并具體定制相應的方案。scStream不僅提供方便的定制工具，同時根據用戶的要求，增加了很多便利的功能。

 

松山先生目前的方法包括聯合風洞測試（圖3）和CFD虛擬仿真（圖4和圖5）。“風洞試驗已經引領了風工程領域，但它正在開始被取代通過計算機模擬。通常，這兩種方法的研究和開發是分開進行的，但我們的團隊合并了這兩種以捕捉兩者的優點，“松山先生解釋道。

 

圖3. 聯合風洞測試

圖4. 使用scSTREAM整體分析地面周圍建筑表面的速度和壓力分布

圖5. 使用SCSTREAM局部分析地面周圍建筑表面的速度和壓力分布

松山先生指出，風洞試驗和建筑風CFD模擬的輸出分析是完全不同的。風洞試驗用于特定區域的時間歷史分析。由于采用相似規則以實際的100倍的速度推進時間。這意味著10分鐘以上的變化可以在10秒內觀察到。另一方面，CFD的結果在整個空間中以平均值進行計算。比實際慢100倍需要時間。只是在準備上花費時間的風洞實驗需要2個月左右，而CFD則需要幾天到一個月左右的時間才能得到一些結果。“因為作為工具的特性完全不同，所以可以在不同情況下區分使用，或者相互補充。”松山先生說。

 

松山先生也在推進風洞實驗和CFD的融合。“利用STREAM?的解析數據作為風洞實驗的空間補充，將解析模型數據輸出到3D打印機制作建筑物試樣，用于風洞實驗。隨著3D應用程序的導入費和材料費的降低，周邊數據例如也能從Google Earth等下載的話，通過與CFD的交換可能性會進一步擴大”。

 

用于更常見、更實用的CFD模擬

松山在STREAM?分析更詳細的情況下，最初就預見到并行計算的重要性。“STREAM?的并行速度很快，比汽車和機械領域還要早，所以也很期待在建筑領域的使用。但是，雖然分析規模變大，建筑領域有特有的情況，但是許可證方面與其他領域相同，這是很大的障礙。因為這個強大的工具無法在許多項目中使用，盡管它在概念上通過分析可以給出指導建議，我感到很可惜”。 為這個問題制定了一個可能的解決方案。 從2014年秋季開始，一家日本云服務提供商以每日使用率提供Cradle產品*。“我想這是第一個CFD 由日本RM開發的軟件，可在按使用量付費下使用。這肯定會鼓勵更多地使用CFD。”

 

說起風環境的模擬，大家都只關心大樓風帶來的“風災”，在這一點上松山先生也很期待STREAM?的可能性。“模擬成為理所當然的事情的話，基于這個結果，設計者、施工者、行政以及附近居民等可以進行有意義的對話。我想對于客戶來說，在風險管理上也是有益的”。此外，松山先生還說，利用建筑物的風力發電以及采用自然換氣和通風的建筑設計也變得容易了。“活用CFD，有效地吸收風的話，很多地區即使關閉空調也能增加舒適的時間段。通過捕捉風的有效性，無論是什么樣的房子都能帶來舒適的自然風。CFD應該可以給予所有建筑物很大的附加價值”。

 

此外，松山先生還著眼于將風工程學擴展到一般社會。正準備著讓看不見的風無論是誰、無論何時、都能看見、感受、利用的“裝置”。“我覺得這個‘裝置’的核心是STREAM?，可以在各種各樣的場合使用。讓一般人切身感受到風，應該會產生新的使用方法和需求”。從STREAM?中誕生的風工程學和一般社會的新接觸點，可能會大大改變對風環境的社會認識。