CN106250590B - 一种基于cfd数值模拟的高空露天平台行人风环境评估方法 - Google Patents

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Abstract

一种基于CFD数值模拟的高空露天平台行人风环境评估方法，它涉及一种高空露天平台行人风环境评估方法，具体涉及一种基于CFD数值模拟的高空露天平台行人风环境评估方法。发明为了解决现有风洞试验成本高、模型简化、缩尺比过小，且现有风环境评估方法精度不足的问题。本发明具体步骤为：对最小计算域的要求来设置CFD数值模拟的计算域；采用混合网格来离散计算域，并采用边界层网格对平台附近的网格进行加密；制定CFD数值模拟的计算工况；进行CFD数值模拟；基于风速比rM，将风环境评估标准(本发明采用NEN 8100评估标准)中的小时平均风速阈值Uthr转换为实际高层建筑10m高度处的小时平均风速阈值Uthr,M。本发明属于建筑风环境领域。

Description

一种基于CFD数值模拟的高空露天平台行人风环境评估方法
技术领域
本发明涉及一种高空露天平台行人风环境评估方法，具体涉及一种基于CFD数值模拟的高空露天平台行人风环境评估方法，属于建筑风环境领域。
背景技术
随着我国城市化的发展，(超)高层建筑大量涌现，且建筑形式日趋多样化。近年来，一种新型的建筑形式——多塔连体高层建筑越来越受到建筑师们的青睐，它较好地满足了建筑功能日益多变的要求。对于多塔连体高层建筑，各塔楼之间通常由高空露天平台连接形成。由于塔楼之间的间距较小，气流流经高空平台时存在“狭管效应”，对局部风速有放大作用；此外，来流风速随建筑高度的增加而增大，即高空平台的来流风速通常很大。因此，高空露天平台可能存在严重的行人风环境问题，易引起行人产生风不舒适感、甚至发生危险。因此，有必要对高空露天平台的行人风环境进行正确地预测及评估，并对风环境质量较差的区域进行优化设计，为建筑设计提供依据。
CFD数值模拟是研究建筑风环境的主要方法。近年来，随着计算机硬件技术的发展、湍流模型的改进和计算方法的进步，CFD数值模拟方法在建筑风环境领域得到了越来越广泛的应用，已成为具有战略意义的发展方向。相比于风环境试验，它具有以下优点：(1)成本低、周期短、效率高，且可精确控制流动条件；(2)不受建筑模型尺寸和构造的影响，可进行全尺寸模拟，有效地解决了风环境试验中模型简化、缩尺比过小、测量点过少等问题；(3)CFD数值模拟可利用丰富的可视化工具，能提供风环境试验不便或不能获得的流场信息，有助于研究问题的本质和机理。
高空露天平台行人风环境的评估方法主要包括风速比评估法、相对风舒适度评估法和超越阈值概率评估法等。一般而言，风速比评估法和相对风舒适度评估法均存在评估结果精度较差的问题，而超越阈值概率评估法则在考虑人的舒适性和安全性需求、及当地气象统计资料的基础上，采用最大容许超越概率的方式考虑了风速的随机特性，是目前最为准确的评估方法。由于超越阈值概率评估法需要结合气象资料，且算法相对复杂，导致其实际应用受限。此外，基于超越阈值概率评估法的风环境评估标准较多，目前还没有达成统一，在一定程度上也限值了其应用。
发明内容
本发明为解决现有风洞试验成本高、模型简化、缩尺比过小，且现有风环境评估方法精度不足的问题，进而提出一种基于CFD数值模拟的高空露天平台行人风环境评估方法。
本发明为解决上述问题采取的技术方案是：本发明所述评估方法的具体步骤如下：
步骤一、采用大型商业软件ICEM CFD建立拟评估某多塔连体高层建筑的足尺数值计算模型，并依据德国标准《城市风环境的CFD数值模拟最佳实践指南》COST Action 732中对最小计算域的要求来设置CFD数值模拟的计算域；采用混合网格来离散计算域，并采用边界层网格对平台附近的网格进行加密；
步骤二、制定CFD数值模拟的计算工况，研究不同气动措施对高空露天平台行人风环境质量的改善效果；
步骤三、进行CFD数值模拟，获得不同参数工况下多塔连体高层建筑模型的高空露天平台行人高度的小时平均风速Ui和风速比Ui/Ur，并利用式①确定各风向角下实际多塔连体高层建筑的高空露天平台行人高度的小时平均风速Ui,site与10m高度的小时平均风速U10,site的比值rM：
公式①中，Ur为CFD数值模拟的参考高度平均风速；Ur,site表示实际高层建筑参考高度Zref处的小时平均风速；α表示指数律风剖面的地面粗糙度指数；
步骤四、基于风速比rM，将风环境评估标准(本发明采用NEN 8100评估标准)中的小时平均风速阈值Uthr转换为实际高层建筑10m高度处的小时平均风速阈值Uthr,M：
公式②中，Uthr表示NEN 8100风环境评估标准中的小时平均风速阈值；
步骤五、统计并分析拟评估多塔连体高层建筑的当地气象资料，确定十六个风向角下良态风的风向频率及风速概率分布函数；气象资料包括10m高度处的小时平均风速和平均风向；θ风向角下各测点风速U超过小时平均风速阈值Uthr,M的概率为：
公式③中，θ＝1，2，3，…，16，表示气象学中常用的十六个风向角编号，风向角间隔为22.5°；Aθ为风向角θ的风向频率；cθ和kθ分别为风向角θ时Weibull分布函数的尺度参数和形状参数；
步骤六、累加所有风向角下各测点风速U超过小时平均风速阈值Uthr,M的概率，即该风速阈值的超越概率：
步骤七、基于全风向角下的超越概率P(U>Uthr,M)，并结合NEN 8100评估标准中的最大容许超越概率Pmax，评估高空露天平台行人风环境的舒适性与安全性。
本发明的有益效果是：1、本发明的方法通过结合某多塔连体高层建筑的高空露天平台行人高度的气动信息、当地气象统计资料和具有一定保证率的风环境评估标准等三方面，全方位、详细地考虑了具有不同气动改善措施的高空露天平台、不同地区差异和不同行人活动的不同感受的影响，可实现对多塔连体高层建筑的高空露天平台行人风环境的准确定量评估；2、本发明的风环境评估方法，可为高空露天平台的风环境设计提供依据，避免行人通行时产生不舒适感或者发生危险。
附图说明
图1是基于CFD数值模拟的高空露天平台行人风环境评估流程图，图2是多塔连体高层建筑的CFD数值计算模型，其中图2a是多塔连体高层建筑的整体模型示意图，图2b是多塔连体高层建筑的含塔楼的平台截面尺寸示意图，图3是计算域大小示意图，其中图3a是计算域高和长的示意图，图3b是计算域宽和长的示意图，图4是计算域网格划分示意图，图5是高空露天平台表面的边界层网格示意图。
具体实施方式
具体实施方式一：结合图1至图5说明本实施方式，本实施方式所述一种基于CFD数值模拟的高空露天平台行人风环境评估方法的具体步骤如下：
步骤一、采用大型商业软件ICEM CFD建立拟评估某多塔连体高层建筑的足尺数值计算模型，并依据德国标准《城市风环境的CFD数值模拟最佳实践指南》COST Action 732中对最小计算域的要求来设置CFD数值模拟的计算域；采用混合网格来离散计算域，并采用边界层网格对平台附近的网格进行加密；
步骤二、制定CFD数值模拟的计算工况，研究不同气动措施对高空露天平台行人风环境质量的改善效果；
步骤三、进行CFD数值模拟，获得不同参数工况下多塔连体高层建筑模型的高空露天平台行人高度的小时平均风速Ui和风速比Ui/Ur，并利用式①确定各风向角下实际多塔连体高层建筑的高空露天平台行人高度的小时平均风速Ui,site与10m高度的小时平均风速U10,site的比值rM：
公式①中，Ur表示CFD数值模拟的参考高度平均风速；Ur,site表示实际高层建筑参考高度Zref处的小时平均风速；α表示指数律风剖面的地面粗糙度指数；
步骤四、基于风速比rM，将风环境评估标准(本发明采用NEN 8100评估标准)中的小时平均风速阈值Uthr转换为实际高层建筑10m高度处的小时平均风速阈值Uthr,M：
公式②中，Uthr为NEN 8100风环境评估标准中的小时平均风速阈值；
步骤五、统计并分析拟评估多塔连体高层建筑的当地气象资料，确定十六个风向角下良态风的风向频率及风速概率分布函数；气象资料包括10m高度处的小时平均风速和平均风向；θ风向角下各测点风速U超过小时平均风速阈值Uthr,M的概率为：
公式③中，θ＝1，2，3，…，16，表示气象学中常用的十六个风向角编号，风向角间隔为22.5°；Aθ为风向角θ的风向频率；cθ和kθ分别为风向角θ时Weibull分布函数的尺度参数和形状参数；
步骤六、累加所有风向角下各测点风速U超过小时平均风速阈值Uthr,M的概率，即该风速阈值的超越概率：
步骤七、基于全风向角下的超越概率P(U>Uthr,M)，并结合NEN 8100评估标准中的最大容许超越概率Pmax，评估高空露天平台行人风环境的舒适性与安全性。
步骤二中针对3m挡风板的不足之处，基于“挡”、“导”、“隔”的流动控制思路，采用了5m高挡风板、5m高挡风板+1m高导流板、5m高挡风板+1m高抑流板、双层挡风板、挡风板+遮风板等不同的气动控制措施，探究不同气动措施对高空露天平台行人风环境质量的改善效果。
具体实施方式二：结合图1至图5说明本实施方式，本实施方式所述一种基于CFD数值模拟的高空露天平台行人风环境评估方法的步骤一中采用的计算域依据德国标准《城市风环境的CFD数值模拟最佳实践指南》COST Action 732中对最小计算域的要求来设置的，即计算域的轮廓尺寸满足宽×高×长＝5H×6H×20H，其中计算模型前方5H，后方15H的要求。计算域的阻塞率为0.48％。
计算域采用混合网格离散，即在计算模型周围设置一个小计算域，小计算域内部采用较小尺寸的四面体非结构化网格离散，而小计算域外部则采用较大尺寸的分块均匀结构化网格离散。此外，为确保高空露天平台行人高度处的数值计算精度，采用边界层网格对平台附近的网格进行加密，保证高空露天平台行人高度下方具有3层以上网格。不同参数工况下的网格总数约为500万。其它组成及连接关系与具体实施方式一相同。
具体实施方式三：结合图1至图5说明本实施方式，本实施方式所述一种基于CFD数值模拟的高空露天平台行人风环境评估方法的步骤三和步骤四中高空露天平台行人高度的小时平均风速Ui和风速比Ui/Ur小时平均风速比值rM和小时平均风速阈值Uthr,M均为描述高空露天平台行人风环境的气动信息的参数，行人高度是指高空露天平台以上2m高度。
步骤三中采用我国《建筑结构荷载规范》(GB5009-2012)中的B类地貌剪切流(包括平均风速剖面和湍流度剖面)，作为CFD数值模拟的入流边界条件。采用Realizable k-ε湍流模型来封闭RANS方程，对流项和扩散项的离散格式分别选用二阶迎风格式和二阶中心差分格式，压力速度耦合方程采用SIMPLE算法求解。其它组成及连接关系与具体实施方式一相同。
具体实施方式四：结合图1至图5说明本实施方式，本实施方式所述一种基于CFD数值模拟的高空露天平台行人风环境评估方法的步骤五和步骤六中十六个风向角下Weibull分布函数的参数，包括风向频率Aθ、尺度参数cθ和形状参数kθ，是由多塔连体高层建筑所在地区的气象资料统计分析得到的。其它组成及连接关系与具体实施方式一相同。
具体实施方式五：结合图1至图5说明本实施方式，本实施方式所述一种基于CFD数值模拟的高空露天平台行人风环境评估方法的步骤四和步骤七中的小时平均风速阈值Uthr和最大容许超越概率Pmax均由荷兰国家标准NEN 8100给出。该风环境评估标准根据行人的不同感受将风环境评估分为舒适性评估和危险性评估，同时又根据行人的不同活动进行细分，对应于不同的小时平均风速阈值Uthr和最大容许超越概率Pmax。通过比较各测点的超越概率P(U>Uthr,M)与最大容许超越概率Pmax，实现对舒适性水平和危险性水平的准确定量评估。其它组成及连接关系与具体实施方式一相同。
以上所述，仅是本发明的较佳实施例而已，并非对本发明作任何形式上的限制，虽然本发明已以较佳实施例揭露如上，然而并非用以限定本发明，任何熟悉本专业的技术人员，在不脱离本发明技术方案范围内，当可利用上述揭示的技术内容做出些许更动或修饰为等同变化的等效实施例，但凡是未脱离本发明技术方案内容，依据本发明的技术实质，在本发明的精神和原则之内，对以上实施例所作的任何简单的修改、等同替换与改进等，均仍属于本发明技术方案的保护范围之内。

Claims (1)

1.一种基于CFD数值模拟的高空露天平台行人风环境评估方法，其特征在于：所述一种基于CFD数值模拟的高空露天平台行人风环境评估方法的具体步骤如下：
步骤一、采用大型商业软件ICEM CFD建立拟评估某多塔连体高层建筑的足尺数值计算模型，并依据德国标准《城市风环境的CFD数值模拟最佳实践指南》COST Action 732中对最小计算域的要求来设置CFD数值模拟的计算域；采用混合网格来离散计算域，并采用边界层网格对平台附近的网格进行加密；
步骤二、制定CFD数值模拟的计算工况，研究不同气动措施对高空露天平台行人风环境质量的改善效果；
步骤三、进行CFD数值模拟，获得不同参数工况下多塔连体高层建筑模型的高空露天平台行人高度的小时平均风速Ui和风速比Ui/Ur，并利用式①确定各风向角下实际多塔连体高层建筑的高空露天平台行人高度的小时平均风速Ui,site与10m高度的小时平均风速U10,site的比值rM：
公式①中，Ur为CFD数值模拟的参考高度平均风速；Ur,site表示实际高层建筑参考高度Zref处的小时平均风速；α表示指数律风剖面的地面粗糙度指数；
步骤四、基于风速比rM，将风环境评估标准，采用NEN 8100评估标准中的小时平均风速阈值Uthr转换为实际高层建筑10m高度处的小时平均风速阈值Uthr,M：
公式②中，Uthr为NEN 8100风环境评估标准中的小时平均风速阈值；
步骤五、统计并分析拟评估多塔连体高层建筑的当地气象资料，确定十六个风向角下良态风的风向频率及风速概率分布函数；气象资料包括10m高度处的小时平均风速和平均风向；θ风向角下各测点风速U超过小时平均风速阈值Uthr,M的概率为：
公式③中，θ＝1，2，3，…，16，表示气象学中常用的十六个风向角编号，风向角间隔为22.5°；Aθ为风向角θ的风向频率；cθ和kθ分别为风向角θ时Weibull分布函数的尺度参数和形状参数；
步骤六、累加所有风向角下各测点风速U超过小时平均风速阈值Uthr,M的概率，即该风速阈值的超越概率：
步骤七、基于全风向角下的超越概率P(U>Uthr,M)，并结合NEN 8100评估标准中的最大容许超越概率Pmax，评估高空露天平台行人风环境的舒适性与安全性；
步骤一中采用的计算域依据德国标准《城市风环境的CFD数值模拟最佳实践指南》COSTAction 732中对最小计算域的要求来设置的，即计算域的轮廓尺寸满足宽×高×长＝5H×6H×20H，其中计算模型前方5H，后方15H的要求，计算域的阻塞率为0.48％；为确保高空露天平台行人高度处的数值计算精度，采用边界层网格对平台附近的网格进行加密，保证高空露天平台行人高度下方具有3层以上网格；不同参数工况下的网格总数约为500万；
步骤三和步骤四中高空露天平台行人高度的小时平均风速Ui和风速比Ui/Ur、小时平均风速比值rM和小时平均风速阈值Uthr,M均为描述高空露天平台行人风环境的气动信息的参数，行人高度是指高空露天平台以上2m高度；
步骤五和步骤六中十六个风向角下Weibull分布函数的参数，包括风向频率Aθ、尺度参数cθ和形状参数kθ，是由多塔连体高层建筑所在地区的气象资料统计分析得到的；
步骤四和步骤七中的小时平均风速阈值Uthr和最大容许超越概率Pmax均由荷兰国家标准NEN 8100给出。
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