高層建筑大渦模擬的一般流程及典型案例

春風(fēng)乍起

2019年3月7日 19:48

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何為大渦模擬？

在上一篇文章CFD在土木工程中的應(yīng)用系列（二）——淺談脈動風(fēng)速入口生成方法中，Ton君已經(jīng)描述了大渦模擬（LES）的一般概念。所謂大渦模擬，實際上是一種湍流模型。在CFD求解過程中，我們希望將研究問題求解得越清楚詳細越好，這樣就需要捕捉流體行為的細節(jié)。下圖1摘自文獻Thordal M S, Bennetsen J C, Koss H H H. Review for practical application of CFD for the determination of wind load on high-rise buildings[J]. Journal of Wind Engineering and Industrial Aerodynamics, 2019, 186: 155-168。由圖可以看出，直接數(shù)值模擬（DNS）理論上能夠求解能譜的所有波段，能夠捕捉到最小的旋渦，但是DNS計算需要足夠精細的網(wǎng)格和超強的計算能力，目前在科研領(lǐng)域也僅適用于低雷諾數(shù)計算，在工程領(lǐng)域的應(yīng)用則更加鳳毛麟角。在高層建筑抗風(fēng)研究中，得到建筑表面風(fēng)壓時程是至關(guān)重要的。CFD作為風(fēng)洞試驗的輔助乃至替代手段，必須能夠解析建筑表面風(fēng)荷載的隨機時程序列。鑒于此，雷諾平均（RANS）方法并不適用于研究此類問題，因為RANS方法從原理上無法求解流場的隨機脈動成分，僅在求解平均流場和平均風(fēng)荷載方面有一定的適用性。大渦模擬（LES）的求解尺度鑒于二者之間，顧名思義，大渦模擬僅求解“大渦”，對于“小渦”則采用亞格子模型求解。“大渦”與“小渦”的過渡往往位于慣性子區(qū)的上界，這對于高層建筑風(fēng)荷載的計算已經(jīng)具有相當(dāng)好的精度。

圖1 不同湍流模型的求解尺度

高層建筑大渦模擬的一般流程及典型案例

CAD模型準(zhǔn)備

準(zhǔn)確無誤的CAD模型是后續(xù)網(wǎng)格劃分的基礎(chǔ)，特別是對于比較復(fù)雜的外形，需要筒子們在繪制CAD幾何模型時多操點心。以AutoCAD為例，在繪制好三維模型后，可以輸入acisout命令，將三維模型輸出為.sat文件，以便網(wǎng)格劃分軟件讀取。值得注意的是，為了后續(xù)網(wǎng)格劃分方便，可以將流域范圍一同建入幾何模型，流域的具體尺寸可依照文獻或經(jīng)驗確定。本文以一個簡單的方柱為例，下圖2為幾何模型。

圖2 方柱及計算域幾何模型

網(wǎng)格劃分

Ton君近日對STAR-CCM+軟件的多面體網(wǎng)格愛不釋手，但是安裝好的軟件似乎和360安全衛(wèi)士不太兼容，幾經(jīng)嘗試，發(fā)現(xiàn)后綴名為.x_t的文件可以被STAR-CCM+軟件很好的讀入。那么問題來了，如何把AutoCAD輸出的.sat文件轉(zhuǎn)化為.x_t文件呢？笨笨的Ton君想到了ANSYS Workbench中的DesignModeler軟件，下圖3給出了相應(yīng)文件格式的轉(zhuǎn)換窗口。

關(guān)于STAR-CCM+軟件的多面體網(wǎng)格劃分，Ton君在以后的推文中詳細描述。Ton君采用了基于Region的分區(qū)域劃分方式，得到的網(wǎng)格如下圖4。這里需要多說幾句，很多文獻中說，LES計算對于網(wǎng)格劃分要求非常嚴(yán)格，不僅需要控制網(wǎng)格的skewness和aspect ratio，還得特別注意建筑模型近壁面的網(wǎng)格尺度，以控制近壁面y+<5。這個當(dāng)然是正確的，然而依照Ton君的經(jīng)驗，若是計算資源受限，也可以不嚴(yán)格控制y+；很多商業(yè)軟件求解器，如ANSYS Fluent，當(dāng)y+太大而不足以求解粘性底層時，會默認(rèn)啟用壁面函數(shù)，其求解也具有一定的精度。圖5給出了本文模型計算所得建筑表面y+范圍。

圖3 文件格式轉(zhuǎn)換

圖4 基于Region的網(wǎng)格劃分

圖5 建筑表面y+范圍

脈動風(fēng)速入口生成 & 空流域風(fēng)場特性檢驗

關(guān)于脈動風(fēng)速入口方法，已在CFD在土木工程中的應(yīng)用系列（二）——淺談脈動風(fēng)速入口生成方法一文中談到過了，Ton君這里采用了文中的NSRFG方法用于生成入口脈動風(fēng)速時程。然而，由于入口湍流的衰減，在建筑位置處，風(fēng)場特性相比入口會發(fā)生一定的變化，特別是湍流強度和湍流積分尺度變化明顯。這個問題Ton尚未完全解決，但是總結(jié)出了一定的經(jīng)驗，歡迎后臺留言討論。經(jīng)過Ton君的調(diào)試，最終在空流域中，基本實現(xiàn)了模擬風(fēng)場和目標(biāo)風(fēng)場的吻合，如下圖6。值得一提的是，空流域風(fēng)場特性檢驗經(jīng)常被簡單粗暴地忽略，但是Ton君嚴(yán)謹(jǐn)?shù)卣J(rèn)為，這是后續(xù)風(fēng)荷載分析的重要前提，必須大致滿足，否則算出來的就是一堆沒用的數(shù)據(jù)。

圖6 風(fēng)場特性模擬

建筑繞流求解

啊，經(jīng)過前面三步的準(zhǔn)備工作，終于到正式求解了。在求解中，有幾個需要注意的要點。首先，在亞格子模型的選取方面，優(yōu)先選用動態(tài)亞格子模型（Dynamic Subgrid-Scale Model）及壁面自適應(yīng)局部渦粘模型（Wall-Adapting Local Eddy-viscosity Model），其中后者對近壁面流動有較好的求解準(zhǔn)確性，且相比前者可以節(jié)省計算時間，是Ton君推薦的亞格子模型。其次，應(yīng)該注意參考壓力點的位置選擇（在Operating Conditions操作面板的Reference pressure location欄中輸入），對于高層建筑而言可以選在建筑正上方2H高度處。一般而言，參考壓力點位置通常設(shè)置在計算過程中壓力變化不大的區(qū)域，然而LES計算中，由于采用了人工合成的入口來流脈動，在入口到建筑之間靜壓場脈動變化劇烈，這是人工合成法的通病。將參考壓力點位置選在建筑正上方2H高度處，可以在一定程度上消除這種非物理的靜壓場脈動。最后，數(shù)值方案的選擇上，壓力速度耦合方案采用SIMPLEC算法已足夠，PISO算法求解耗時長，但是允許采用非迭代和大時間步長方案，空間離散推薦有界中心差分（Bounded Central Differencing），時間離散推薦采用二階全隱格式（Second Order Implicit），時間步長的選擇應(yīng)該滿足一個漩渦脫落周期內(nèi)包含50個采樣點（若計算資源受限可以適當(dāng)放寬）。

計算結(jié)果展示

LES計算得到的基底順風(fēng)向彎矩系數(shù)均值為0.66，試驗結(jié)果為0.64；LES計算得到的基底順風(fēng)向彎矩系數(shù)根方差為0.08，試驗結(jié)果為0.10；LES計算得到的基底橫風(fēng)向彎矩系數(shù)根方差為0.15，試驗結(jié)果為0.19；LES計算得到的基底扭矩系數(shù)根方差為0.02，試驗結(jié)果為0.03。由此可見，Ton君的LES計算結(jié)果達到了很好的精度。圖7給出了LES計算得到的建筑2/3H高度平均速度流線圖。圖8給出了LES計算得到的某時刻建筑周圍旋渦的分布。