一种适用于山地建筑数值风洞模拟的建模方法

摘要

一种适用于山地建筑数值风洞模拟的建模方法，步骤一：用CAD软件作图，建立测试建筑模型；步骤二：在CAD图中建立山地模型；步骤三：确定测试建筑模型至风场计算域入口的垂直距离L1以及测试建筑模型至计风场计算域出口的垂直距离L2；步骤四：确定风场侧边界c到测试建筑模型的距离、风场侧边界d到测试建筑模型的距离以及地面到风场上边界距离；步骤五：在CAD图中得到山地边线延伸线；步骤六：在CAD图中填充得出四个平地区域；步骤七：建立风场空间模型；步骤八：将山地模型、测试建筑模型、平地模型和风场空间模型导入流体分析软件，设置边界条件进行分析。降低了交界处的台阶对风场的影响，提高了山地建筑CFD数值模拟的精度。

说明书

技术领域

本发明涉及一种山地建筑风环境模拟的建模方法。

背景技术

数值风洞模拟方法是一种应用计算流体力学（ComputationalFluidDynamic，CFD）技术在计算机上对建筑物周围风流动所遵循的流体动力学方程进行数值求解，并借助计算机图形学技术将模拟结果形象地描述出来，以对建筑物周围风场进行仿真模拟的研究方法。近十几年来，数值风洞模拟方法发展成为一种结构风工程研究方法，并逐渐形成了一门新兴的结构风工程分支——计算风工程学（ComputationalWindEngineering，CWE），与直接的风洞试验方法相比，数值风洞模拟方法具有如下优点：1）成本低；2）周期短；3）资料完备，可以获得整个风场中各物理量（如压力、速度、湍流动能等）分布状态，可以对研究对象进行全面的分析研究；4）具有模拟真实条件的能力，可以建立与建筑物原型尺寸相同的计算模型，模拟实际的风环境，可避免风洞试验由于尺寸效应所引起的误差；5）可以广泛地设定各种条件进行模拟，并已经成功应用于如500米口径射电望远镜等诸多重要工程的风环境模拟中。虽然CWE技术在传统的直接风洞试验所不能解决的问题上具有广阔的前景，但当它被用于山地模拟时还是存在一些不足：山地建筑CFD数值模拟的精度低以及当在山地外继续接平地来扩大三维尺度，来满足计算域入口和出口距离所测试建筑模型最小距离的要求时，这种建模方式在山地与平地交界处过渡不自然，交界处的台阶对风场有较大的扰动，从而会形成地形截断效应，导致数值模拟的误差偏大。

发明内容

本发明的目的是提供一种可以适用于山地建筑数值风洞模拟的建模方法，要解决以往山地建筑数值风洞模拟方法存在的地形截断对风场产生影响、山地建筑CFD数值模拟的精度低、建模复杂、适用范围窄的技术问题。

为实现上述目的，本发明采用如下技术方案：

一种适用于山地建筑数值风洞模拟的建模方法，其步骤如下：

步骤一：根据实际建设方案中的建筑尺寸和坐标数据，用CAD软件作图，建立测试建筑模型，测试建筑模型的尺寸与实际建设方案中建筑的尺寸相等；

步骤二：根据实测的地形坐标数据，在CAD图中建立山地模型，其中山地模型根据实测的地形坐标数据拟合得到；

步骤三：确定测试建筑模型至风场计算域入口的垂直距离L₁以及测试建筑模型至计风场计算域出口的垂直距离L₂，所述测试建筑模型至风场计算域入口的垂直距离L₁不小于测试建筑模型最大尺度L的10倍，所述测试建筑模型至计风场计算域出口的距离L₂不小于风场计算域入口至测试建筑模型的距离L₁，即L₂≥L₁；

步骤四：根据测试建筑模型阻塞比的要求以及测试建筑模型风场侧边界与地面到风场上边界距离的要求，确定风场侧边界c到测试建筑模型的距离、风场侧边界d到测试建筑模型的距离以及地面到风场上边界距离；

步骤五：在CAD图中将山地模型中的山地边线a沿顺风向扫掠至风场计算域入口处，得到山地边线延伸线a，同时山地边线a扫掠过的区域为山地的延伸面A；

在CAD图中将山地边线b沿顺风向扫掠至风场计算域出口处得到山地边线延伸线b，同时山地边线b扫掠过的区域为山地的延伸面B；

在CAD图中将山地边线c沿横风向扫掠至风场侧边界c处得到山地侧边延伸线c，同时山地边线c扫掠过的区域为山地的延伸面C；

在CAD图中将山地边线d沿横风向扫掠至风场侧边界d处得到山地侧边延伸线d,同时山地边线d扫掠过的区域为山地的延伸面D；

步骤六：在CAD图中，在空白区域处，用平面填充得出平地区域A（12）、平地区域B（13）、平地区域C、以及平地区域D；

步骤七：将风场计算域入口、风场计算域出口、风场侧边界c、风场侧边界d以及风场上边界围成一个空间区域，建立风场空间模型；

步骤八：将在CAD软件里建立好的山地模型、测试建筑模型、平地模型和风场空间模型导入流体分析软件里，并设置边界条件进行分析。

优选的，山地模型、四个山地延伸面及四个平地相互之间平滑过渡。

优选的，山地边线延伸线a在风场计算域入口所形成的平面内；山地边线延伸线b在风场计算域出口所形成的平面内；山地边线延伸线c在风场侧边界c所形成的平面内；山地边线延伸线d在风场侧边界d所成的平面内。

优选的，测试建筑模型的阻塞比等于5%或者小于5%。

优选的，地面到风场上边界距离大于测试建筑模型到风场侧边界的距离或者地面到风场上边界距离等于测试建筑模型到风场侧边界的距离。

优选的，风场侧边界c与风场侧边界d关于测试建筑模型的几何形心对称。。

优选的，所述山地模型尺寸小于的风场边界尺寸。

优选的，所述步骤三中，所述测试建筑模型至计风场计算域出口的距离L₂=15L。

优选的，所述风场空间模型为一个长方体空间模型，由于地面不是平整的，该长方体空间模型只是一个近似长方体的空间模型。

优选的，所述的设置边界条件包括：在风场计算域入口边界定义随高度变化的风速剖面及湍流特性；在风场计算域出口边界定义压力出口边界条件；在风场侧边界c、风场侧边界d以及上边界定义对称边界条件；在测试建筑模型的表面、山地模型的表面、四个山地的延伸面的表面以及四个平地的表面设置壁面边界条件。

与现有技术相比本发明具有以下特点和有益效果：

1、本发明采用“边线延伸”方法建立的山地建筑的数值风洞模型，有效解决了传统方法

在的地形截断对风场的影响问题。

2、在本发明中山地与平地交界处过渡自然，降低了交界处的台阶对风场的影响，从而提高了山地建筑CFD数值模拟的精度。

3、本发明建模简便、适用范围广。

附图说明

下面结合附图对本发明做进一步详细的说明。

图1是平地建筑的数值风洞模型。

图2是山地建筑的传统数值风洞模型侧面示意图。

图3是本发明的FAST反射面板示意图。

图4是本发明步骤二中建立山地模型的示意图。

图5是本发明步骤五中建立山地延伸面的示意图。

图6是本发明步骤六中建立平地区域的示意图。

图7是本发明步骤七中建立风场空间区域的示意图。

图8是本发明中的500米口径球面射电望远镜项目（FAST）数值风洞模型局部放大图。

附图标记：1－测试建筑模型、2－山地模型、3－FAST反射面板、4－风场计算域出口、5－风场计算域入口、6－山地边线a、7－山地边线b、8－山地边线c、9－山地边线d、10－风场侧边界c、11－风场侧边界d、12－平地区域A、13－平地区域B、14－平地区域C、15－平地区域D、16－风场、65－山地的延伸面A、67－山地的延伸面B、81－山地的延伸面C、91－山地的延伸面D、18－山地边线延伸线a、19－山地边线延伸线b、20－山地边线延伸线c、21－山地边线延伸线d。

具体实施方式

实施例参见图1-5，这种适用于山地建筑数值风洞模拟的建模方法，其步骤如下：

步骤一：如图3所示，根据实际建设方案中的建筑尺寸和坐标数据用CAD软件作图，建立测试建筑模型，也就是FAST反射面板3，FAST反射面板3的尺寸与实际建设方案中的FAST反射面板尺寸相等；

步骤二：如图4所示，根据实测的地形坐标数据，在CAD图中建立山地模型2，其中山地模型2根据实测的地形坐标数据拟合得到；

步骤三：确定FAST反射面板3至风场计算域入口5的垂直距离L₁以及FAST反射面板3至计风场计算域出口4的垂直距离L₂，所述FAST反射面板3至风场计算域入口5的垂直距离L₁不小于FAST反射面板3最大直径的10倍，所述FAST反射面板3至计风场计算域出口4的距离L₂不小于风场计算域入口5至FAST反射面板3的距离L₁，即L₂≥L₁；

步骤四：根据FAST反射面板3的阻塞比的要求以及FAST反射面板3风场侧边界与地面到风场上边界距离的要求，确定风场侧边界c10到FAST反射面板3的距离、风场侧边界d11到FAST反射面板3的距离以及地面到风场上边界距离；

步骤五：如图5所示，在CAD图中将山地模型2中的山地边线a6沿顺风向扫掠至风场计算域入口5处，得到山地边线延伸线a18，同时山地边线a6扫掠过的区域山地的延伸面A65；

在CAD图中将山地边线b7沿顺风向扫掠至风场计算域出口4处得到山地边线延伸线b19，同时山地边线b7扫掠过的区域为山地的延伸面B67；

在CAD图中将山地边线c8沿横风向扫掠至风场侧边界c10处得到山地侧边延伸线c20，同时山地边线c8扫掠过的区域为山地的延伸面C81；

在CAD图中将山地边线d9沿横风向扫掠至风场侧边界d11处得到山地侧边延伸线d21,同时山地边线d9扫掠过的区域为山地的延伸面D91；

步骤六：如图6所示，在CAD图中，在空白区域处，用平面填充出平地区域A12、平地区域B13、平地区域C14以及平地区域D15；

步骤七：风场计算域入口5、风场计算域出口4、风场侧边界c10、风场侧边界d11以及风场上边界构成一个空间区域，风场空间模型建立完毕。

步骤八：将在CAD软件里建立好的山地模型2、FAST反射面板3、平地模型和风场空间模型导入流体分析软件里，并设置边界条件进行分析。

本实施例中,FAST（FivehundredmetersApertureSphericalRadioTelescope）指的是500米口径球面射电望远镜。

本实施例中，测试建筑模型1是FAST反射面板，当然，在其它的实施例中，测试建筑模型1也可以是其它的建筑物。

本实施例中，山地模型2、四个山地延伸面及四个平地相互之间平滑过渡。

本实施例中，山地边线延伸线a18在风场计算域入口5所形成的平面内；山地边线延伸线b19在风场计算域出口4所形成的平面内；山地边线延伸线c20在风场侧边界c10所形成的平面内；山地边线延伸线d21在风场侧边界d11所成的平面内。

本实施例中，FAST反射面板3的阻塞比等于5%或者小于5%。

本实施例中，地面到风场上边界距离大于FAST反射面板3到风场侧边界的距离或者地面到风场上边界距离等于FAST反射面板3到风场侧边界的距离。

本实施例中，风场侧边界c10与风场侧边界d11关于FAST反射面板3的几何形心对称。

本实施例中，所述山地模型2尺寸小于的风场16边界尺寸。

本实施例中，所述步骤三中，所述FAST反射面板3至计风场计算域出口4的距离L₂=15L。

本实施例中，所述风场空间模型为一个长方体空间模型，由于地面不是平整的，该长方体空间模型只是一个近似长方体的空间模型。

本实施例中，所述的设置边界条件包括：在风场计算域入口5边界定义随高度变化的风速剖面及湍流特性；在风场计算域出口4边界定义压力出口边界条件；在风场侧边界c10、风场侧边界d11以及上边界定义对称边界条件；在FAST反射面板3的表面、山地模型2的表面、四个山地的延伸面的表面以及四个平地的表面设置壁面边界条件。