高层建筑通风模拟验证Fluent软件可信度

周子芥

华南理工大学

1 CFD-Fluent在建筑风热环境模拟中的应用与局限

Fluent是通用的CFD软件包，用来模拟从不可压缩到高度可压缩范围内的复杂流动。作为目前商业开发完善且较为常用的CFD软件[1]。最初被应用在航空航天、汽车及工业设计行业用于模拟气体流动。近年来建筑设计对节能环保理念与微气候、人体舒适度概念的重视使得建筑技术中多利用CFD-Fluent在建筑初步设计后模拟建筑能耗与风热环境，提前得知建筑性能从而反向指导建筑设计。但由于建筑体量巨大（相比汽车与各类工业设计产品），CFD-Fluent 网格数量剧增（在保证人体感知尺度时），计算时间增大；同时也应建筑技术与Fluent 软件的契合问题使得在针对建筑进行风热环境模拟时产生各类问题；另外，由于大型建筑周边环境复杂多样，CFD-Fluent 模型相对实际建筑环境的简化通常会使模拟结果与实际建筑环境测量结果存在较大差异。

2 高层建筑通风模拟实验设计

2.1 建筑案例选择与简化

广州珠江电厂办公大楼在建筑中心设计了一个中庭（在建筑顶端开口），配合其部分侧庭，形成了贯穿整个建筑内部的自然通风空间，使得夏季的主流风向东南风能水平的吹进建筑内部，形成回风，并从建筑顶部的开口吹出，达到沟通室内外空气，提高室内人体舒适度的目的[2]。为了预测分析这种建筑设计手段建成之后的实际效果，使用CFD-Fluent对该典型建筑进行风、热环境模拟。

选取广州珠江电厂办公大楼为实验建筑，依据实际建筑尺寸，在AutoCAD 中建立三维模型。考虑到后续网格划分的精度会影响计算量与计算时间，在确定研究区域的基础上简化建筑模型，不考虑与中心通风系统无关的元素。整体建筑模型尺寸为33.75m×33.75m×47.20m。具有一个从五层起贯穿屋顶的中庭，尺寸为20.25m×20.25m，并在屋顶由一个尺寸同为20.25m×20.25m的遮阳挡风板，为了简化模型节省计算时间，将与风道无关或几乎不影响风场的结构元素（楼梯，房间，栏杆等）省去。建筑1-4层与实验无关，故以尺寸为33.75m×33.75m×22m的“封闭空间”代替。实验不考虑建筑内部房间，用封闭空间代替。楼板厚度0.3m，墙面厚度0.2m，玻璃厚度0.05m。具体参数略。

2.2 CFD-Fluent模型设计

由于软件进行数值模拟时需考虑建筑外部环境的空气流动，为得到稳定准确的建筑室内风速与温度，需留出足够的外部计算空间[3]，根据相关研究最终确定总计算区域尺寸为247.25m×547.25m×147.25m。建筑模型边缘距离计算域边界为：距入流边界200m，距出流边界300m，距侧向边界100m，距顶面边界100m。

2.3 气象边界条件设置

城市-广州；经纬度-113.27,23.13；模拟日期：5月6日（过渡季）；风速：2.5m/s（按照梯度风公式设置进风口风速，既风速随高度的增大而增大，2.5m/s是地面起10m处的风速[4]）；风向SSE；进风温度：28℃；直射辐射强度：212W/m2；散射辐射强度：195 W/m2。

3 对比验证CFD-Fluent不同计算次数下获得数据的可信度

3.1 讨论计算未完全收敛前提下获得模拟数据的可信度

限制于计算机计算速度与承受能力，在建立建筑模型赋予空间网格时通常会采用渐进式网格（既从建筑室内重点观测区域最密集网格区域向外逐渐疏松）。这样操作的优点是减小了模型的数据量同时加快了模拟计算速度；缺点是在较少的计算次数下不容易收敛（得到固定的数据结果）。由于建筑模型的尺度较大，采用渐进式网格的模型质量并不足够高，而又限制于有限的实验时间，每个模拟实验最终得到的数据结果通常都是不收敛的，即结果不完全可信。故在此基础上讨论进行的模拟对比实验结果是否可信，并探索最高效率的数据采集与统计方式。

3.2 记录不同计算次数下获得的模拟数据的规律与趋势

图1 建筑内气温与风速随计算次数变化统计

24 核心的超级计算机（天河二号）端口运行CFD-Fluent 软件计算该模型时平均耗时为90min/1000次运算（Fluent的计算原理是迭代算法，多次尝试代入数据并得出相对最接近的结果[5]），从收敛曲线得知其结果并未收敛。于是尝试记录同一模型设置下250 次，500 次，750 次······5000 次运算得到的数据（一般超出5000次还未收敛的实验模型不具备实用性）。

针对本次实验简化后的建筑模型进行模拟运算。记录模型建筑内部空间5，6，7，8，9，10层1.5m高度的温度与风速数据（走廊与中空两个区域分别记录），并计算平均值。具体数据记录见图 1（A1 代表 5 层中空区域；C1 代表 5 层走廊区域；A+C1 代表五层总体区域；AVERAGE代表六层总体平均值）。

3.3 讨论在现有模型基础下的模拟计算结果可信度

通过分析不同计算次数下获得的数据结果后明显得出数据的绝对值并不可信。即单独研究一个模型的某个数据是不可靠的。但由于本次实验属于对照试验，利用同一个模型进行不同设置下的对照实验，并且发现在相同模拟计算次数的前提下得到的数据极为接近，说明如果控制每次实验的计算次数相同，则得到的组间对比结论就是可信的。

3.4 讨论FLUENT在建筑热环境模拟上的实用性与局限性

通过上述分析可以得出，Fluent 在计算未收敛时，风速数据不随计算次数的增加而逐渐接近；温度数据随计算次数的增加而逐渐接近。所以Fluent模拟在计算未收敛状态下的结论是不稳定的，但可以控制计算次数一致来进行同一模型的组间对比。对照实验不需要为了获得收敛的数据而在模拟计算上耗费过多的时间。

4 对比验证CFD-Fluent模拟结果相对实测结果的可信度

4.1 记录实验建筑环境实测数据

在实验建筑内部选取六个测点，在2019年5月6日全天候测试并记录测点温度，风速，湿度。六个测点位置分别为：六层侧庭，六层中庭，八层中庭，十层中庭，天面北向，天面南向。记录时间点为上午十点到傍晚六点间的每个整点。

4.2 相同环境参数下利用CFD-Fluent对实验建筑进行模拟校验

按照与实测环境相同的参数条件下建立简化实验建筑模型并模拟计算风速，温度（由于本实验不考虑湿度，故不进行模拟），并记录与实测相同位置的六个测点的温度，风速数据。（仅模拟10点和14点的情况）。实测与模拟数据校验见图2。

图2 建筑环境实测与模拟数据校验

4.3 对比实验建筑环境实测数据与CFD-Fluent模拟数据

从实验建筑实测与模拟温度数据对比中可以发现，模拟得到的建筑室内测点温度数据普遍高于室外，考虑到建筑室内应用了人工降温手段，这样的模拟结论是可以接受的，但不能用单个模拟的温度数据去推算实际情况下的温度。模拟与实测数据在绝对值上都有一些差异，但在五个测试点上的数据变化趋势是一致的，说明模拟参数与实际环境参数的差异带来的影响呈线性变化。由于模拟与实际情况的数据绝对值存在不可忽视的差距，实验获得的数据不能用来推测实际环境数据，也不可用来得出预测性的结论；但可以用来对比组间数据来获得对比性的结论。

5 结果与讨论

CFD-Fluent 作为一个成熟的流体力学模拟分析软件，能够提供可信的计算与分析结果。但由于需要大量的计算量，获得的实验结论往往效率较低，同时存在单体的误差。但如果能巧妙的设计对照实验并根据实验重点巧妙的设计模型，避免针对单个模型的数据分析，Fluent还是可以提供较为可信的数据的。

在使用CFD-Fluent 针对各种体量、类型的建筑进行室内外风、热环境模拟时，需要提前确定实验针对的对象。对象尺度的差异直接影响CFD-Fluent模型网格精密程度的设计。对大体量建筑的整体风热环境及能耗模拟预测时，无须采用极度紧密的网格（当模型文件量过大时不仅建模出错的可能性增大，同时模拟运算数据收敛的难度也增大）；但当研究对象为人体舒适度时，则必须将网格精度控制在人体感知尺度（0.2）下[6]。

对实验建筑的抽象简化工作是必需的，同时也是大幅度缩减模拟计算时间的方法。在实验前明确目的，将无关的建筑构件，空间，材料均简化甚至剔除，能减少模型出错的概率同时减小模拟运算工作量。