高層建筑通風模擬驗證Fluent軟件可信度

周子芥

華南理工大學

1 CFD-Fluent在建筑風熱環境模擬中的應用與局限

Fluent是通用的CFD軟件包，用來模擬從不可壓縮到高度可壓縮范圍內的復雜流動。作為目前商業開發完善且較為常用的CFD軟件[1]。最初被應用在航空航天、汽車及工業設計行業用于模擬氣體流動。近年來建筑設計對節能環保理念與微氣候、人體舒適度概念的重視使得建筑技術中多利用CFD-Fluent在建筑初步設計后模擬建筑能耗與風熱環境，提前得知建筑性能從而反向指導建筑設計。但由于建筑體量巨大（相比汽車與各類工業設計產品），CFD-Fluent 網格數量劇增（在保證人體感知尺度時），計算時間增大；同時也應建筑技術與Fluent 軟件的契合問題使得在針對建筑進行風熱環境模擬時產生各類問題；另外，由于大型建筑周邊環境復雜多樣，CFD-Fluent 模型相對實際建筑環境的簡化通常會使模擬結果與實際建筑環境測量結果存在較大差異。

2 高層建筑通風模擬實驗設計

2.1 建筑案例選擇與簡化

廣州珠江電廠辦公大樓在建筑中心設計了一個中庭（在建筑頂端開口），配合其部分側庭，形成了貫穿整個建筑內部的自然通風空間，使得夏季的主流風向東南風能水平的吹進建筑內部，形成回風，并從建筑頂部的開口吹出，達到溝通室內外空氣，提高室內人體舒適度的目的[2]。為了預測分析這種建筑設計手段建成之后的實際效果，使用CFD-Fluent對該典型建筑進行風、熱環境模擬。

選取廣州珠江電廠辦公大樓為實驗建筑，依據實際建筑尺寸，在AutoCAD 中建立三維模型。考慮到后續網格劃分的精度會影響計算量與計算時間，在確定研究區域的基礎上簡化建筑模型，不考慮與中心通風系統無關的元素。整體建筑模型尺寸為33.75m×33.75m×47.20m。具有一個從五層起貫穿屋頂的中庭，尺寸為20.25m×20.25m，并在屋頂由一個尺寸同為20.25m×20.25m的遮陽擋風板，為了簡化模型節省計算時間，將與風道無關或幾乎不影響風場的結構元素（樓梯，房間，欄桿等）省去。建筑1-4層與實驗無關，故以尺寸為33.75m×33.75m×22m的“封閉空間”代替。實驗不考慮建筑內部房間，用封閉空間代替。樓板厚度0.3m，墻面厚度0.2m，玻璃厚度0.05m。具體參數略。

2.2 CFD-Fluent模型設計

由于軟件進行數值模擬時需考慮建筑外部環境的空氣流動，為得到穩定準確的建筑室內風速與溫度，需留出足夠的外部計算空間[3]，根據相關研究最終確定總計算區域尺寸為247.25m×547.25m×147.25m。建筑模型邊緣距離計算域邊界為：距入流邊界200m，距出流邊界300m，距側向邊界100m，距頂面邊界100m。

2.3 氣象邊界條件設置

城市-廣州；經緯度-113.27,23.13；模擬日期：5月6日（過渡季）；風速：2.5m/s（按照梯度風公式設置進風口風速，既風速隨高度的增大而增大，2.5m/s是地面起10m處的風速[4]）；風向SSE；進風溫度：28℃；直射輻射強度：212W/m2；散射輻射強度：195 W/m2。

3 對比驗證CFD-Fluent不同計算次數下獲得數據的可信度

3.1 討論計算未完全收斂前提下獲得模擬數據的可信度

限制于計算機計算速度與承受能力，在建立建筑模型賦予空間網格時通常會采用漸進式網格（既從建筑室內重點觀測區域最密集網格區域向外逐漸疏松）。這樣操作的優點是減小了模型的數據量同時加快了模擬計算速度；缺點是在較少的計算次數下不容易收斂（得到固定的數據結果）。由于建筑模型的尺度較大，采用漸進式網格的模型質量并不足夠高，而又限制于有限的實驗時間，每個模擬實驗最終得到的數據結果通常都是不收斂的，即結果不完全可信。故在此基礎上討論進行的模擬對比實驗結果是否可信，并探索最高效率的數據采集與統計方式。

3.2 記錄不同計算次數下獲得的模擬數據的規律與趨勢

圖1 建筑內氣溫與風速隨計算次數變化統計

24 核心的超級計算機（天河二號）端口運行CFD-Fluent 軟件計算該模型時平均耗時為90min/1000次運算（Fluent的計算原理是迭代算法，多次嘗試代入數據并得出相對最接近的結果[5]），從收斂曲線得知其結果并未收斂。于是嘗試記錄同一模型設置下250 次，500 次，750 次······5000 次運算得到的數據（一般超出5000次還未收斂的實驗模型不具備實用性）。

針對本次實驗簡化后的建筑模型進行模擬運算。記錄模型建筑內部空間5，6，7，8，9，10層1.5m高度的溫度與風速數據（走廊與中空兩個區域分別記錄），并計算平均值。具體數據記錄見圖 1（A1 代表 5 層中空區域；C1 代表 5 層走廊區域；A+C1 代表五層總體區域；AVERAGE代表六層總體平均值）。

3.3 討論在現有模型基礎下的模擬計算結果可信度

通過分析不同計算次數下獲得的數據結果后明顯得出數據的絕對值并不可信。即單獨研究一個模型的某個數據是不可靠的。但由于本次實驗屬于對照試驗，利用同一個模型進行不同設置下的對照實驗，并且發現在相同模擬計算次數的前提下得到的數據極為接近，說明如果控制每次實驗的計算次數相同，則得到的組間對比結論就是可信的。

3.4 討論FLUENT在建筑熱環境模擬上的實用性與局限性

通過上述分析可以得出，Fluent 在計算未收斂時，風速數據不隨計算次數的增加而逐漸接近；溫度數據隨計算次數的增加而逐漸接近。所以Fluent模擬在計算未收斂狀態下的結論是不穩定的，但可以控制計算次數一致來進行同一模型的組間對比。對照實驗不需要為了獲得收斂的數據而在模擬計算上耗費過多的時間。

4 對比驗證CFD-Fluent模擬結果相對實測結果的可信度

4.1 記錄實驗建筑環境實測數據

在實驗建筑內部選取六個測點，在2019年5月6日全天候測試并記錄測點溫度，風速，濕度。六個測點位置分別為：六層側庭，六層中庭，八層中庭，十層中庭，天面北向，天面南向。記錄時間點為上午十點到傍晚六點間的每個整點。

4.2 相同環境參數下利用CFD-Fluent對實驗建筑進行模擬校驗

按照與實測環境相同的參數條件下建立簡化實驗建筑模型并模擬計算風速，溫度（由于本實驗不考慮濕度，故不進行模擬），并記錄與實測相同位置的六個測點的溫度，風速數據。（僅模擬10點和14點的情況）。實測與模擬數據校驗見圖2。

圖2 建筑環境實測與模擬數據校驗

4.3 對比實驗建筑環境實測數據與CFD-Fluent模擬數據

從實驗建筑實測與模擬溫度數據對比中可以發現，模擬得到的建筑室內測點溫度數據普遍高于室外，考慮到建筑室內應用了人工降溫手段，這樣的模擬結論是可以接受的，但不能用單個模擬的溫度數據去推算實際情況下的溫度。模擬與實測數據在絕對值上都有一些差異，但在五個測試點上的數據變化趨勢是一致的，說明模擬參數與實際環境參數的差異帶來的影響呈線性變化。由于模擬與實際情況的數據絕對值存在不可忽視的差距，實驗獲得的數據不能用來推測實際環境數據，也不可用來得出預測性的結論；但可以用來對比組間數據來獲得對比性的結論。

5 結果與討論

CFD-Fluent 作為一個成熟的流體力學模擬分析軟件，能夠提供可信的計算與分析結果。但由于需要大量的計算量，獲得的實驗結論往往效率較低，同時存在單體的誤差。但如果能巧妙的設計對照實驗并根據實驗重點巧妙的設計模型，避免針對單個模型的數據分析，Fluent還是可以提供較為可信的數據的。

在使用CFD-Fluent 針對各種體量、類型的建筑進行室內外風、熱環境模擬時，需要提前確定實驗針對的對象。對象尺度的差異直接影響CFD-Fluent模型網格精密程度的設計。對大體量建筑的整體風熱環境及能耗模擬預測時，無須采用極度緊密的網格（當模型文件量過大時不僅建模出錯的可能性增大，同時模擬運算數據收斂的難度也增大）；但當研究對象為人體舒適度時，則必須將網格精度控制在人體感知尺度（0.2）下[6]。

對實驗建筑的抽象簡化工作是必需的，同時也是大幅度縮減模擬計算時間的方法。在實驗前明確目的，將無關的建筑構件，空間，材料均簡化甚至剔除，能減少模型出錯的概率同時減小模擬運算工作量。