城市熱島效應模擬的案例
設計仿真 | 直播預告-借助CFD仿真技術高效模擬城市熱島效應
城市熱島效應頻發，對自然氣候、人類能源消耗和身心健康都有著重要影響。熱島效應的數值模擬具有現實意義，但其模擬尺度較大，影響因素復雜，涉及到對流，換熱，植被蒸騰，太陽輻射等因素，無法輕易實現。Cradle CFD 軟件因其獨特的高魯棒性像素網格和基于結構化網格的高速求解技術，能對城市熱島效應進行快速、高保真模擬仿真，并能借助CFD仿真技術高效設計建筑環境、暖通空調與潔凈系統來指導改善熱島效應。
本期海克斯康直播講堂請到了CFD仿真工程師吳昌講師，他將為大家帶來“借助CFD仿真技術高效模擬城市熱島效應”為主題的專題直播，通過對行業痛點、技術難點及具體案例的深入解析，全面闡述城市熱島效應的模擬仿真解決方案。
展開 FLAIR 建筑通風/暖通/安全專業CFD軟件
u 新版本FLAIR增加了Sun模塊，可模擬城市熱島效應。
PHOENICS特點介紹
u In-Form：用戶接口功能，完成用戶數學表達式的輸入，IF判斷等功能。方便了用戶控制自定義的邊界條件、初始條件、材料物性等參數的輸入。
u Shapemaker：三維造型功能。
u 自動收斂控制：無論輸入參數是否充分和一致，都能保證結果具有較好的收斂效果。
u PARSOL技術：PHOENICS獨特的網格處理技術，特別對于CAD圖形的導入，網格能自動生成。
u 細網格：適合小范圍內網格的精確劃分。
u 固體應力計算。
u 前后處理有了較大改進。
u 對所有模型均使用動態內存分配。
u 初始數組的給定勿需再通過FORTRAN編譯。
u 在VR下，增加了新的物體類型（曲面、斜板）。
u 增加了力的積分功能。
u 支持32位和64位Windows系統，支持并行功能。
展開 北京市熱島效應問題，Landsat8數據分析與綠地的關系
城市綠地對北京市熱島強度的影響
張旭萍
(北京建筑大學 測繪與城市空間信息學院, 北京 100044)
摘要：針對北京市熱島效應日益加重的問題,提出了基于陸地衛星8號(Landsat8)所攜帶的陸地成像儀(OLI)和熱紅外成像儀(TIRS)的Level-1數據反演地表溫度、計算植被覆蓋度的方法;并構建地表溫度反演模型,探究北京市熱島效應與城市綠地面積關系。實驗結果表明：高溫區大部分集中在中心城區,并向周圍的郊區的平原地帶呈輻射狀擴散,隨著城區綠地面積增加,植被覆蓋度上升的同時城區的熱島強度也呈下降趨勢,說明城市綠地面積的增加與熱島效應呈負相關關系。
0 引言
隨著城市建設的快速發展,北京的城市范圍在迅速擴張,城市內大量的混凝土、柏油路面及各種建筑墻面等人工構筑物,極大地改變了原有的自然下墊面熱力屬性,城市熱島效應也變得越來越明顯[1]。近年來為緩解城市熱島效應,增加綠地等非建設用地也讓城市環境發生了變化,眾多學者開展了相關研究[2]。高分辨率遙感技術能夠全天候,大范圍監測作為熱島效應重要依據的地表溫度,單窗算法、劈窗算法以及輻射傳輸方程法等地表溫度反演算法也彌補了獲取地表溫度數據難的缺陷[3-4],并能夠全面監測植被的分布情況,可反映城市綠地的變化。熱島效應的表達方式也有許多,如相對地表溫度[5]、地表溫度距平值等[6],但目前較少分析熱島效應變化的原因。本文將基于2015、2017年的Landsat8 Level-1數據,反演地表溫度,并以地表溫度為基礎,使用密度分割法對熱島強度進行分級計算北京市的植被覆蓋率,分析北京市2015年、2017年的熱島效應與城市綠地面積變化的關系。
1 工作流程
北京市地表溫度反演、植被覆蓋度計算及熱島強度分級具體工作流程見圖1。
展開 發了那么多SCI，有興趣了解一下“SCI效應”么？ | 新論文：考慮“場地-城市效應”的區域建筑震害
圖2 城市密集建筑群會對風場造成顯著影響，那對地震是否會有影響呢？
事實上，這個問題也不是我們第一個發現的。之前已有很多研究者指出，地面以上密集的城市建筑會對地震動產生顯著影響，即存在“場地-城市效應”（Site-City Interaction，簡稱SCI）。
圖3 地面以上密集的城市建筑會對地震動產生顯著影響
例如，Guidotti et al (2015) 的研究表明，復雜“場地-城市效應”會導致地震動輸入相差1/3以上。所以，不搞清楚“場地-城市效應”的影響，我們很多城市地震模擬輸入的地震動可能就會存在很大誤差，計算結果的準確度也就值得懷疑（“Garbage in, garbage out”）。
“Garbage in, garbage out”
雖然從道理上說“城市-場地效應”非常重要，但實際研究的難度很大：“場地-城市效應”不但需要模擬地下若干平方公里范圍內土體的非線性響應，還要模擬地上幾百棟建筑的非線性響應，更要考慮場地-城市之間的相互作用。因此，現有的研究要么把地上的建筑或地下土體簡化成一些線性質量塊，要么不考慮地上建筑對地下土體振動的影響，同時考慮地上、地下非線性行為和耦合效應的模擬還沒有見到。
二、研究方法
因此，本文通過與香港科技大學王剛教授、黃杜若博士等合作，基于我們課題組開發的城市建筑群非線性MDOF模型和Mazzieri 等開發的地下波動分析開源程序SPEED，編制了“場地-城市效應”模擬程序，程序的執行思路如圖4所示。
圖4 場地-城市效應計算程序流程
首先從基巖輸入地震動，進行場地波動模擬，將場地波動模擬得到的地面加速度輸入地上建筑，得到地上建筑的地震響應。再把計算得到的建筑基地反力輸入地下土體，得到建筑對地震動傳播的影響。
展開 
【CAE案例】城市峽谷效應下污染物傳輸流參數化方法的驗證
01 研究背景
城市作為人類活動高度集中(工業、交通以及居民的活動等)的區域，會產生許多隨空氣漂流的污染物；同時，城市建筑規劃整齊劃一，高聳建筑會阻礙空氣在街道內的流通。在街道風的作用下，污染物隨著氣流在高樓之間上下徘徊，影響其彌散，這樣的效應叫做城市峽谷效應。
不同間距的建筑物產生的城市峽谷效應
城市峽谷效應會導致城市空氣質量的下降，對居民的健康產生不利影響。為了研究城市內空氣流動以及污染物的濃度分布，學者常對城市建立仿真模型，并使用CFD進行計算。但由于整個城市的規模過于龐大，使用CFD仿真對整個城市進行計算是不現實的，因此研究人員一般使用簡化的交叉峽谷和公路的城市網絡模型（Model of Urban Network of Intersecting Canyons and Highways, MUNICH）來研究這種效應的影響。
但考慮到城市的整齊性，基于街道尺度上的城市模型，對污染物的彌散特征進行參數化表示，從而推廣到整座城市的污染物彌散特征，在計算成本上會優于CFD。
為了驗證基于MUNICH街道模型的參數化方法的準確性，本文基于CFD仿真軟件對城市峽谷模型的風場進行計算，基于仿真結果進行后處理，分別得到縱向傳輸系數以及橫向風速，并與MUNICH多個模型進行對比。
02 模型建立
基于MUNICH模型，為了對某條城市峽谷進行仿真計算，本文使用的計算模型為周期性的二維城市峽谷模型，其主要特征如圖所示：
該二維模型在Y方向長度為1m，其在Y方向上周期性分布，理論上等價于無限長的街道，并且該周期性分布能夠模擬不與x方向平行的風向存在時的風場情況。
在模型中，僅有建筑的高度H可變，而街道的寬度W和建筑的寬度B不變，均為27.5m。
展開 基于CEL法的單樁基礎貫入過程模擬：考慮應變軟化與應變率效應 ￥100
為此，數值模擬技術逐漸成為研究單樁動力學行為的有力工具。
內容
本案例介紹一種基于 CEL（Coupled Eulerian–Lagrangian）方法 的單樁貫入模擬思路。CEL法通過在樁體采用Lagrangian網格、土體采用Eulerian描述的方式，能夠自然處理大變形問題，避免了純Lagrangian網格嚴重畸變的困境。這種方法特別適合樁土相互作用、沖擊載荷和復雜邊界問題的研究。
在模型構建中，除考慮土體強度隨埋深的變化外，還引入了 應變軟化 與 應變率效應 兩個關鍵因素。應變軟化反映了土體在達到峰值強度后強度逐漸降低的特性，對預測貫入阻力和樁周土體擾動范圍具有重要意義。而應變率效應則考慮了土體在高速加載下強度和剛度隨加載速率的增加而提高的規律。這兩者在樁貫入問題中往往是同時存在的：軟化決定了樁入土后的長期穩定性，速率效應則主導了瞬時的動力響應。
通過研究，可以得到以下幾點主要認識：
軟化效應：若忽略，可能會高估貫入阻力，導致溜樁等事故發生。
速率效應：對貫入速度較大的情況，土體等效強度提升明顯，使樁貫入力顯著增大；但該效應在慢速貫入下相對有限。
相比傳統有限元方法，CEL模擬不僅能捕捉樁端土體的流動與回填現象，還能清晰展現樁周土體擾動區的形成與演化。提供了一個更接近實際工況的分析工具。
應用領域
樁體、軟土貫入儀器貫入過程等軟土大變形領域
展開 基于CEL法的單樁基礎貫入過程模擬（考慮應變軟化與應變率效應） ￥50
<p><strong>【注意】考慮到后臺咨詢較多，最新帖子更新了子程序與CEL建模的講解視頻，請大家按需購買</strong></p><p><a href="https://www.yqgqt.org.cn/post/1983546" rel="noopener noreferrer" target="_blank">基于CEL法的單樁基礎貫入過程模擬：考慮應變軟化與應變率效應_abaqus cel實例 ABAQUS二次開發-技術鄰</a></p><p>在abaqus軟件中基于<a href="https://www.yqgqt.org.cn/service/abaqus_cel" rel="noopener noreferrer" target="_blank">CEL</a>法的分層地基單樁基礎貫入過程模擬，通過編寫VUSDFLD子程序考慮了軟土的應變軟化效應與應變率效應。</p><p>以某海上風機項目為背景，為節約計算資源，建立了1/8模型。</p><p>附件包含CAE模型、應變軟化與應變率效應子程序，以及包含CEL法的建模、材料屬性設置、接觸關系設置等的資料以及一個演示視頻。
展開 靜壓樁擠土效應數值模擬
靜壓樁擠土效應數值模擬.rar
靜壓樁擠土效應數值模擬
1、直徑為0.3m的圓樁，長5.0m，被靜壓施工到一干砂地基中，樁端設置樁靴，樁靴角度為60度，樁體采用剛體模擬，地基可采用修正劍橋模型模擬；
表1 模型參數
圖1 模型圖示
2、高10m,寬4.999m的矩形；
3、設置材料與截面特性
Log Bulk Modulus為0.006，泊松比為0.2，
4、裝配構件，分析步：分析步設置為持續時間為100，NIgeom設置為on,初始增量步為1，最大增量步為1000；
5、土與樁的接觸為光滑接觸，
6、荷載設置為-15KN/m3;
邊界BC-1，U1=0，U2=0;
邊界BC-2，U1=0，U2=0,U3=0;
邊界BC-3，U2=-5,樁基開始下城5m；
圖2 約束圖示、荷載圖示
7、網格劃分
土體為CAX4單元類型；四邊形劃分網格，樁采用離散剛體模擬樁，單元RAX2進行劃分；
8、提交作業
圖3 施工結束之后的網格變形圖
9、分析
當樁的入土深度較淺時，徑向水平位移的分布呈現出比較明顯的三維效應，即樁端附近的徑向水平位移較大。當樁的入土深度較大時(5.0m),相當一部分深度范圍內的徑向水平位移和沉樁深度不大，即類似于常規的圓孔擴張理論所得到的徑向水平位移。這表明常規的圓孔擴張理論只適用于沉樁深度較大的情況，且只能計算出擠土完成后的最終徑向擠士位移。
CPU i5 7200,8G內存，
展開 采用Comsol模擬馬格努斯效應，實現風向控制功能
image_process=/format,webp/resize,w_219" alt="基于comsol的鋰電池疊片電化學耦合熱分析的圖1" width="219"></span></p><p> 馬格努斯效應（Magnus Effect），以發現者馬格努斯命名， 流體力學當中的現象，是一個在流體中轉動的物體(如圓柱體）受到的力。</p><p> </p><div contenteditable="false" width="100%"><p><img src="https://img.jishulink.com/upload/202112/367715e3ce4340edbf878e90e4c49e16.png" title="QQ圖片20211209221729.png" alt="QQ圖片20211209221729.png" style="max-width: 760px; width: 522px; height: 237px;" width="522" height="237" data-mobile-src="https://img.jishulink.com/upload/202112/367715e3ce4340edbf878e90e4c49e16.png?image_process=/format,webp/quality,q_40/resize,w_400" data-pc-src="https://img.jishulink.com/upload/202112/367715e3ce4340edbf878e90e4c49e16.png?
展開 RP Resonator 如何處理模擬中的熱透鏡效應
在極少數情況下，由于端泵浦激光的泵浦強度的降低，熱透鏡效應在光束方向上可能是不均勻的。然后您必須把激光晶體分成多個部分，每個部分有不同的透鏡強度。使用一小段包含循環結構的腳本代碼，可以簡單地自動執行，這樣您就不必手動輸入多個晶體部分。
光纖和激光模擬中的熱透鏡
更復雜的熱透鏡模型可以用于激光模擬，可以用我們的軟件RP Fiber Power完成。
用熱透鏡法修改光纖模式
在光纖中，熱透鏡效應通常可以忽略不計。但是，對于在非常高的功率水平上運行，情況就不是這樣了。在這里，在光纖導模的計算中考慮熱透鏡可能是合適的。這不是問題，因為你可以把任意的徑向折射率分布傳遞給模態求解器。
徑向溫度分布本身可以從一個簡單的微分方程計算，如果徑向熱分布是已知的。(RP Fiber Power & RP Resonator軟件的腳本語言提供了一個方便的函數來求解該微分方程。)在具有強透鏡效應的情況下，產熱剖面本身可能依賴于模態特性;在這種情況下，一個迭代近似的自洽解的熱剖面和模態性質。
光束傳播中的熱透鏡效應
我們的軟件也可以用于光束在光纖中傳播的數值模擬——實際上也可以用于在大塊激光晶體中傳播。這里，我們指定了一個本質上任意的折射率剖面，這當然會受到熱透鏡效應的影響。同樣，溫度分布可以通過如上所述的熱分布來計算。
例如，可以模擬端泵浦為高斯或超高斯光束的圓柱形激光棒的情況。在這里，熱透鏡會有一些像差。這樣就可以簡單地模擬高斯輸入光束單次通過對光束輪廓和光束質量因子的影響。此外，我們可以模擬多個諧振腔的往返行程，直到光束的性能達到或多或少的穩定狀態。
結語
這樣的建模可以涉及到一些重要的方面。它一般以在某種情況下，什么樣的復雜程度是合適的問題為開始。這樣的判斷需要一些經驗。此外，您可能也會有一些技術方面的問題，例如如何準確地計算溫度剖面。
展開 ABAQUS模擬多米諾骨牌效應
使用ABAQUS軟件計算多米諾骨牌效應的現象，計算骨牌的初始無相互作用時，由一塊初始骨牌的傾倒而引起連鎖的崩倒現象。由于在計算過程中將骨牌看作是一種線性變形的模型，且骨牌的模型尺寸較小、統一，因此未出現骨牌在傾倒過程中破碎的現象。由于在ABAQUS計算過程中添加相互之間的接觸約束時，使得計算的成本成倍增加，因此此處的模型尺寸較小，使用的骨牌的模型尺寸的通用的比例形式，即長：寬：高=6:3:1。計算得到的應力結果和位移結果如圖所示，整體的內能曲線和動能曲線如圖所示。
NEINENG.png
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基于AUTODYN程序聚能射流侵徹效應數值模擬
基于AUTODYN程序聚能射流侵徹效應數值模擬
基于AUTODYN程序聚能射流侵徹效應數值模擬
基于AUTODYN程序聚能射流侵徹效應數值模擬
淺水目標爆炸毀傷效應數值模擬
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對稱模型，除對稱面外其余各面無反射邊界；
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拉格朗日單元：單面侵蝕算法；
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拉格朗日單元
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歐拉單元：雙面流固耦合算法
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混凝土
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MAT_JOHNSON_HOLMQUIST_CONCRETE
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Fc=38MPa
應用粒子法模擬油液沖擊效應
（a）原方案 （b）優化方案
優化前后局部動圖
（a）原方案 （b）優化方案
優化前后整體動圖
結語
SPH法可有效的模擬碰撞過程中油液對于油箱的沖擊效應，以指導油箱固定機構的優化設計；但SPH方法的精度和粒子數量關系很大，導致計算資源及耗費時間急劇增多。
