计算流体力学在城市规划设计中的应用研究

f(x) · 发表于 2009-8-28 21:15:32

摘要应用CFD方法对规划的建筑群进行小气候数值模拟，预测规划方案使楼宇、街区小气候发生的改变，以趋利避害，是一种经济、有效的研究手段。本文试图探讨CFD在规划设计中应用的具体实施方法。通过对个案的研究，揭示CFD在规划设计中所能扮演的角色。CFD可以通过在规划初始阶段的介入，为规划设计人员提供指导性参考，使规划更能体现以人为本的设计思想。关键词计算流体力学;CFD;规划;建筑中图分类号 TP391 Application of Computational Fluid Dynamics in the Field of Construction Planning Liu Jun （School of Construction and Urban Planning, Chongqing University,Chongqing 400044,China） Abstract： Computation Fluid Dynamics (CFD) is used in the construction planning stage. Wind field in the planned buildings was analyzed by CFD. By analyzing the computed wind field, the pro side of the planning design can be emphasized and the con side of the design can be modified. The CFD approach is an economical and efficient way to improve planning quality. In the case study of an urban square planning, a detailed wind field was analyzed by CFD, and the result supported the planning design. Key words: computation fluid dynamics;CFD;planning; architecture 1引言 在建筑规划设计中，特别是在城市建设日益向高度发展的今天，由于楼宇建设而诱发的街区小气候问题将受到越来越多的重视。因为高大建筑物的建设，将导致该建筑物所在区域（街区）的小气候发生显著变化，其中由于规划设计考虑不周而引起的变化将可能导致区域小气候出现严重问题。比如在建成的街区内出现风口，形成局部风速过大，严重时将影响到街区内行人或临近建筑物；由于风速风向的改变，在有火灾等紧急情况发生时，出现烟道效应，加速灾害传递的速度，增加灾害损失；局部街区出现空气流动迟滞现象，造成严重的局部空气污染。凡此种种，仅靠建筑规划设计师的工作是远不能解决的。上述课题涉及空气动力学方面的问题。在理论上，这样的课题可以通过物理模型试验的方法来进行研究，如风洞试验。但是，要进行如此复杂的模型试验，其费用将是一个不菲的数字；而要从中得到定量的结果，其花费将更加巨大。计算流体力学（CFD）方法是用于模拟现实中流动现象的一种有效工具。近年来，随着计算机计算能力的不断提高，以及CFD本身理论和方法的不断改进，计算精度的逐步提高，CFD已经成功地应用于包括建筑规划设计在内的许多流体流动相关领域。并且，利用个人计算机（PC）组成超级并行计算机[9]对大规模数值计算问题进行求解的方法在世界范围内已得到了很大的发展，使CFD应用于复杂建筑规划设计的研究在工程上成为可能。CFD方法具有低成本、可满足工程设计所需要的计算精度、计算条件可以根据需要设定（甚至可以模拟在自然界较难出现的极限条件）、可以方便地进行多方案比较等优点，正呈现出蓬勃发展的态势。在我国，迄今为止还未见CFD应用于建筑规划研究的报道，仅有利用CFD计算建筑风荷载的文章及用风洞进行建筑风环境的模拟研究。本文试图通过对某市一文化广场规划设计中应用CFD方法对规划方案进行辅助考量的研究，揭示CFD在建筑规划设计中的可能应用范围，从而起到抛砖引玉的作用，促进我国在该领域内的研究，提高城市建设中的规划质量。研究结果表明，CFD可以有效地提高规划设计的质量，避免不当设计所可能引发的区域小气候及其它涉及空气流动的问题。 2计算方法 在建筑物之间的空气流动为紊动状态，并且建筑物形状、朝向千变万化、地形高低起伏。因此，根据欲计算对象的物理特性，本研究选取k-ε双方程紊流数学模型作为进行CFD模拟的基本控制方程，采用贴体坐标系统以适应规划设计中由于各建筑物形状、高度、地形等因素所产生的复杂网格体系。控制方程方程的通用形式：

登录/注册后可看大图

1.jpg (4.94 KB, 下载次数: 0)

下载附件保存到相册

2009-8-28 21:15 上传

方程中当 q = 1，表示连续性方程， = u1, u2, u3，分别表示ξ1，ξ2，ξ3（曲线坐标）方向的动量方程， = k，表示紊动动能方程， = ε，表示紊动能耗散率方程; i, j = 1, 2, 3，表示三维空间坐标的三个方向。式中J、Ui,和Gij分别表示Jacobian变换矩阵、速度变换矩阵以及扩散量度矩阵。其定义分别为：

登录/注册后可看大图

2.jpg (2.23 KB, 下载次数: 0)

下载附件保存到相册

2009-8-28 21:15 上传

登录/注册后可看大图

3.jpg (3.65 KB, 下载次数: 0)

下载附件保存到相册

2009-8-28 21:15 上传

上式中

登录/注册后可看大图

4.jpg (1.66 KB, 下载次数: 0)

下载附件保存到相册

2009-8-28 21:15 上传

为有效紊动扩散系数，而

登录/注册后可看大图

5.jpg (1.55 KB, 下载次数: 0)

下载附件保存到相册

2009-8-28 21:15 上传

为紊动扩散系数，σq 为Prandtl数。常数Cμ及σq的取值见表1和2。

方程（1）的源项Sq分别为：

登录/注册后可看大图

6.jpg (7.86 KB, 下载次数: 0)

下载附件保存到相册

2009-8-28 21:15 上传

分别代表连续性方程、动量方程、紊动动能方程及紊动能耗散率方程。

其中Pr为紊动动能的产生率：

登录/注册后可看大图

7.jpg (5.49 KB, 下载次数: 0)

下载附件保存到相册

2009-8-28 21:15 上传

k-ε模型常数见表1。Prandtl数在各方程中的取值见表2。

登录/注册后可看大图

8.jpg (16.44 KB, 下载次数: 0)

下载附件保存到相册

2009-8-28 21:15 上传

由方程（1）和（2）构成了完整的求解区域小气候场的方程组。以上方程采用了贴体曲线坐标系统，因此可以较好的适应求解复杂形状的建筑物街区风场。以上方程组可以用有限差分或有限元方法进行数值求解。在本研究中，采用全隐式有限差分格式。

3个案研究 为了探讨CFD方法在建筑规划设计领域的应用，本研究在某市的一个文化广场的规划设计中采用了前述数学模型对规划方案涉及区域进行了风场数值模拟。根据数值模拟的结果，对规划方案进行了环境小气候的评价，为规划方案的完备性增添了理论依据。

3.1计算区域及网格

规划区域东为一已规划好的体育场，西边为山坡，北边和南边为已有建筑。规划区域的地形及已有（包括已规划）建筑物见图1。根据以上建筑物及地形生成的计算网格见图2。采用结构化网格，共有68x67x31个计算节点，计算范围为1000x1000x50m3。网格的生成采用POINTWISE公司的CFD网格生成软件包GRIDGEN。该软件包是专为CFD计算开发的商用网格生成软件，可以生成任意复杂形状的贴体坐标网格系统，并且可以对生成的网格质量进行优化。由图1及图2可以知道，由于网格的复杂性，其计算是较为困难的。这也是在建筑规划领域应用CFD的较为典型的案例。即计算区域完全不规则，因而网格的生成和流场的计算将主要着眼于解决计算网格不规则所带来的问题——网格生成质量的控制，及计算中由于不规则所引起的收敛性问题。利用GRIDGEN，通过其内置的优化算法，可以得到较高质量的计算网格；而收敛性问题只有依靠CFD求解软件使用者的经验加以解决。在本研究中，应用拟非稳态的计算手段使计算较快的得到收敛。该手段是将稳态问题从非稳态的算法入手，在一个伪时间步长内，进行多次迭代，以使得复杂流动问题可以较快、较稳定的收敛于其解。在CFD领域，这是使计算得到收敛的一个有效方式。本研究以探讨CFD在规划领域的应用前景为主，对计算精度的控制还需专门的深入研究。

登录/注册后可看大图

9.jpg (20.86 KB, 下载次数: 0)

下载附件保存到相册

2009-8-28 21:15 上传

3.2计算边界条件

CFD应用于建筑规划领域研究的一个重要方面就是在计算中确定适合的计算边界条件。在实际计算中，计算区域除了天空采用开放的自由流动边界，地面和规划区内建筑物表面采用固体表面边界外，其它东、西、南、北四个方向的边界取值将对计算区域产生较大影响。由于会受规划区外现存建筑物的影响，上述四个方向的边界条件取值是一个十分复杂的问题。在本研究中，作为对CFD在规划设计中应用的初探，采取了最简化的方式设定边界条件值。边界条件取值对计算结果的影响及最佳的边界条件确定方法将在以后的研究中给出，另文讨论。

本文根据上述原则，并经过对当地气象资料的分析，确定选取风向频率较高的北风和东北风作为计算条件；对风力的大小选取会对人群生活产生影响、当地每年均会出现的10m/s风速作为输入风速，并忽略规划区外现存建筑物对边界条件的影响。在本研究中，未考虑来风的垂向分布，采用均匀来风。垂向梯度风对计算结果的影响将另文讨论。

这样，在本研究中采用的计算边界条件如下：

地面及建筑物表面固壁天空自由流动边界（滑移边界）计算北风工况时：北面 10m/s风速入口东、西、南面自由出口边界计算东北风工况时：东、北面 m/s风速入口，风向为东北西、南面自由出口边界计算东北风工况时的边界条件见图2。为简化计算，体育场按实心体考虑。

3.3计算结果及分析

登录/注册后可看大图

valando · 发表于 2009-11-22 20:28:03

要是有更详实的实例解析就好了。。

single · 发表于 2009-11-24 03:19:27

比较高端的知识点，适合写论文，博士的

sgrylicheng · 发表于 2009-11-24 10:28:35

{:3_49:}很想懂，但是还是不懂，

ab555555666666 · 发表于 2009-12-25 10:22:17

很详实。。方程看得我头大。。保存保存。。

luoyijiang · 发表于 2010-1-9 01:19:50

看的头大呵呵

miaomiao · 发表于 2010-1-18 00:25:54

有人能对这些公式进行解释吗?

Meg · 发表于 2010-1-18 01:40:37

流体力学...喜爱，远观而不敢随意亵玩之...

ty7428 · 发表于 2010-1-18 11:28:51

太高深了看不懂

architc · 发表于 2010-1-20 11:28:32

公式不太明白。。。。。。

skai1002 · 发表于 2010-1-23 11:28:17

太高深了，不过先拜读了...

future_space · 发表于 2010-3-16 18:48:48

太猛了啊。。。。。。。。

tianchideyu · 发表于 2010-3-22 22:51:07

觉得流体力学设计城市很有动感，以及空间收张，但是如此大规模的改动，作为城市设计会不会走田园城市那种路呢，建不动啊

panhao1 · 发表于 2010-3-23 00:08:08

在哪看到的猛料哦

麓山小农 · 发表于 2010-3-23 00:14:59

不失为一片好文章啊我喜欢

麓山小农 · 发表于 2010-3-23 00:20:57

9# Meg 其实文章中的内容无非就是庞大的力学系统中与建筑环境学的一个节点。结合的很巧妙但是CFD以及fluents 等软件的应用还是很容易上手的，至于公式，作为建筑学专业的同学不理解是很正常的，亦无须去彻底理解，毕竟我们都不是数学理论的开拓者，而是应用者。都是参数化了……

bruno_grrr · 发表于 2010-4-20 13:43:41

dingdingding！

1236542020 · 发表于 2011-8-11 13:25:20

好深奥啊！没看懂……

xmjr · 发表于 2011-10-18 21:34:51

理论上行得通，实际上无法完成。国外也只是单体进行风洞试验。

wangzheying · 发表于 2011-10-20 13:51:21

看不懂的猛料

帐号		自动登录	找回密码
密码			注册