同位網(wǎng)格離散與加密的實(shí)施及其在建筑風(fēng)場(chǎng)模擬中的應(yīng)用.pdf

1、氣體流場(chǎng)的數(shù)值模擬,由于具有高效、快捷及費(fèi)用低等的特點(diǎn),在建筑風(fēng)載與風(fēng)環(huán)境的預(yù)測(cè)中正得到越來越廣泛的重視和應(yīng)用.風(fēng)場(chǎng)數(shù)值模擬的預(yù)測(cè)效果,不僅取決于湍流模型與數(shù)值迭代方法,還強(qiáng)烈依賴于離散網(wǎng)格的質(zhì)量及布局的合理性.在建筑風(fēng)場(chǎng)的數(shù)值模擬中,結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格由于具有列式簡(jiǎn)單、計(jì)算量小等優(yōu)點(diǎn)而得到了廣泛的應(yīng)用;然而,目前國內(nèi)外普遍采用的結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格均是基于計(jì)算前一次性布置的固定網(wǎng)格.這種網(wǎng)格通常很難適應(yīng)實(shí)際風(fēng)場(chǎng)中不同區(qū)域的風(fēng)速、風(fēng)壓等的梯度變化要求,從

2、而無法有效地捕捉到局部復(fù)雜流動(dòng)的變化情況及其對(duì)建筑物產(chǎn)生的影響.該文的主要目的是提出并建立起一套能在計(jì)算過程中自適應(yīng)調(diào)整的網(wǎng)格離散與加密方案并成功應(yīng)用到單體及群體建筑風(fēng)場(chǎng)的數(shù)值模擬中.該文基于結(jié)構(gòu)化正交網(wǎng)格,為便于實(shí)施網(wǎng)格加密,采用了變量同位存儲(chǔ)的同位網(wǎng)格體系;為平抑該網(wǎng)格體系下的壓力振蕩問題,除采用動(dòng)量插值方法外(單純采用該方法不能完全平抑振蕩),首次提出了在壓力校正方程的界面流速中添加壓力梯度差值項(xiàng)的方法,從而完全解決了建筑風(fēng)場(chǎng)模擬

3、中同位網(wǎng)格下可能出現(xiàn)的不合理壓力場(chǎng)的問題.通過對(duì)同位網(wǎng)格下的邊界條件的合理離散和處理,建立了同一網(wǎng)格可適用于不同風(fēng)向來流風(fēng)計(jì)算的網(wǎng)格離散格式,提高了正交結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格對(duì)不同風(fēng)向的適用性.為提高數(shù)值模擬解的精度,將適應(yīng)性網(wǎng)格局部加密(AMR)的思想應(yīng)用到采用壓力校正迭代算法的建筑風(fēng)場(chǎng)模擬中,并提出了一種半自適應(yīng)的層塊網(wǎng)格加密方法.該方法的特點(diǎn)是:當(dāng)某一層次網(wǎng)格取得收斂解后,程序根據(jù)誤差分析自動(dòng)判別并輸出該層次網(wǎng)格內(nèi)需加密的單元,由于需加密單元

4、的分布一般較為離散和不規(guī)則,因此通過人工介入對(duì)這些單元進(jìn)行組塊并輸入到計(jì)算機(jī),程序便開始進(jìn)行下一層次網(wǎng)格的迭代計(jì)算,直至得到滿足最終收斂判據(jù)的解.依據(jù)上述網(wǎng)格離散和加密方案,研制開發(fā)了風(fēng)對(duì)建筑繞流的計(jì)算機(jī)模擬程序WSMR.程序采用FORTRAN語言編制,可實(shí)現(xiàn)二維和三維單體及群體建筑的繞流風(fēng)場(chǎng)的模擬計(jì)算,獲得建筑繞流風(fēng)速、表面風(fēng)壓及湍流平均特性等數(shù)據(jù);可通過對(duì)初始網(wǎng)格實(shí)施多層次的網(wǎng)格局部加密,以使風(fēng)場(chǎng)解達(dá)到最終的精度要求.采用編制的計(jì)算

5、程序首先對(duì)一立方體建筑模型、一矩形截面高層建筑和一雙坡屋面建筑的繞流風(fēng)場(chǎng)進(jìn)行了模擬計(jì)算,分別采用單域和多域加密方案對(duì)建筑周圍的網(wǎng)格實(shí)施了局部加密,數(shù)值模擬結(jié)果與風(fēng)洞試驗(yàn)結(jié)果以及其他研究者的非加密計(jì)算結(jié)果進(jìn)行了比較.結(jié)果表明該文的同位網(wǎng)格體系及加密方法不僅簡(jiǎn)便可行、易于實(shí)施,而且能有效提高風(fēng)場(chǎng)解的精度,其突出表現(xiàn)在建筑周圍的繞流流態(tài)和建筑表面風(fēng)壓值更為準(zhǔn)確.在此基礎(chǔ)上,又對(duì)群體建筑風(fēng)場(chǎng)的氣動(dòng)特性進(jìn)行了模擬和分析,分別計(jì)算了兩個(gè)建筑物因錯(cuò)位