CN116151141B - 城市风环境cfd仿真区域选取方法及装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种城市风环境CFD仿真区域选取方法及装置，其中，方法包括：获取第一尾流风速v₀₁，其中，v₀₁为无第一孤立建筑影响时，距离第二孤立建筑水平距离2H₂位置的尾流风速，H₂为第二孤立建筑的高度；获取第二尾流速度v₀₂，其中，v₀₂为受到第一孤立建筑影响时，距离第二孤立建筑水平距离2H₂位置的尾流风速；基于第一尾流速度v₀₁和第二尾流速度v₀₂，利用公式一判断第一孤立建筑是否对第二孤立建筑产生影响，公式一：根据判断结果确定第一孤立建筑对第二孤立建筑的最大影响距离；基于最大影响距离Lmax选取第二孤立建筑上空风场仿真区域。本方法和装置可较快速、精确地给出风场模拟范围，解决计算域大小选取不恰当导致的计算结果失真问题。

Description

城市风环境CFD仿真区域选取方法及装置

技术领域

本发明涉及城市风场CFD模拟技术领域，具体地，涉及一种城市风环境CFD仿真区域选取方法及装置。

背景技术

随着中国经济的飞速增长和社会发展水平的不断攀升，工业化和城市化建设也越来越快。近年来，城市建筑密度不断加大、建筑形式各异、空间布局多变，对城市风环境有着较大的影响。一方面，城市复杂建筑空间形态的发展提高了城市粗糙度，加剧了近地面处湍流运动的复杂性；另一方面，由于建筑材料的大量使用以及城市蓝绿空间的减少，导致城市热岛效应加剧。

因此，在高密度发展的现代化城市中，运用科学手段准确预测并优化城市风环境，评估建筑周围风况条件，对于城市的可持续发展和城市规划设计都具有重要意义。

目前研究城市风环境的主要方法是现场观测、风洞试验和计算流体动力学(CFD)，其中CFD数值模拟方法具有显著的优势。与风洞试验相比，CFD能够建立“实际规模”的模拟模型，且边界条件的设置没有限制，可以直接显示计算区域内的整个流场，并有效地获得模拟结果。此外，CFD可以有效地捕捉重要的物理现象，尤其是对单个建筑物物理现象的捕捉，如旋涡脱落、空气分离和回流，故CFD非常适合用于城市风环境的研究。

此外，在城市建筑流场的数值仿真研究中，计算域的大小直接决定风场模拟的准确性。对于某个中心点，若计算域过大将导致计算过于昂贵，若计算域过小将导致上游对该点有较强影响的周围其他建筑无法得以考虑，进而导致计算结果的失真。

发明内容

本发明的主要目的在于提供一种城市风环境CFD仿真区域选取方法及装置，以获得较为精准的计算域大小，解决由计算域大小选取不恰当导致的计算结果失真的问题。

为了实现上述目的，本发明的一方面提供了一种城市风环境CFD仿真区域选取方法，包括：

获取第一尾流风速v₀₁，其中，v₀₁为无第一孤立建筑影响时，距离第二孤立建筑水平距离2H₂位置的尾流风速，H₂为第二孤立建筑的高度；

获取第二尾流速度v₀₂，其中，v₀₂为受到第一孤立建筑影响时，距离第二孤立建筑水平距离2H₂位置的尾流风速；

基于第一尾流速度v₀₁和第二尾流速度v₀₂，利用公式一判断第一孤立建筑是否对第二孤立建筑产生影响，公式一：

根据判断结果确定第一孤立建筑对第二孤立建筑的最大影响距离；

基于最大影响距离Lmax选取第二孤立建筑上空风场仿真区域。

可选的，获取第一尾流风速v₀₁，包括：

获取来流风速v_i、第二孤立建筑的体形系数β₂、高度H₂以及第一孤立建筑和第二孤立建筑之间的水平距离L₀；

根据来流风速v_i、体形系数β₂、高度H₂以及水平距离L₀确定第一尾流风速v₀₁。

可选的，获取来流风速v_i，包括：利用公式二表达来流风速v_i，公式二：其中，h为当地平均风剖面上的点距离地面高度，v₁₀为距离地面参考高度10m高处的平均风速，α为风剖面指数。

可选的，获取第二尾流速度v₀₂，包括：

获取来流风速v_i、第一孤立建筑的体形系数β₁、高度H₁以及第一孤立建筑和第二孤立建筑之间的水平距离L₀；

根据来流风速v_i、体形系数β₁、高度H₁以及水平距离L₀确定第二尾流风速v₀₂。

可选的，基于第一尾流速度v₀₁和第二尾流速度v₀₂，利用公式一判断第一孤立建筑是否对第二孤立建筑产生影响，包括：

如果第一尾流速度v₀₁和第二尾流速度v₀₂的差值满足公式一，则确定第一孤立建筑未对第二孤立建筑产生影响；

如果第一尾流速度v₀₁和第二尾流速度v₀₂的差值不满足公式一，则确定第一孤立建筑对第二孤立建筑产生影响。

可选的，根据判断结果确定第一孤立建筑对第二孤立建筑的最大影响距离，包括：将第一孤立建筑对第二孤立建筑产生影响时的第一孤立建筑和第二孤立建筑之间的水平距离L₀的最大值作为最大影响距离Lmax。

本发明提出的城市风环境CFD仿真区域选取方法，通过计算第一孤立建筑对第二孤立建筑的最大影响距离，并基于最大影响距离选取第二孤立建筑上空风场仿真区域，能够较为快速、合理、便利地给出风场模拟范围，在节省计算资源的同时满足数值仿真对计算精度的要求。

为了实现本发明的主要目的，本发明的另一方面提供了一种城市风环境CFD仿真区域选取装置，包括：

第一获取模块，用于获取第一尾流风速v₀₁，其中，v₀₁为无第一孤立建筑影响时，距离第二孤立建筑水平距离2H₂位置的尾流风速，H₂为第二孤立建筑的高度；

第二获取模块，用于获取第二尾流速度v₀₂，其中，v₀₂为受到第一孤立建筑影响时，距离第二孤立建筑水平距离2H₂位置的尾流风速；

判断模块，用于基于第一尾流速度v₀₁和第二尾流速度v₀₂，利用公式一判断第一孤立建筑是否对第二孤立建筑产生影响，公式一：

确定模块，用于根据判断结果确定第一孤立建筑对第二孤立建筑的最大影响距离；

选取模块，用于基于最大影响距离Lmax选取第二孤立建筑上空风场仿真区域。

可选的，第一获取模块，用于：

获取来流风速v_i、第二孤立建筑的体形系数β₂、高度H₂以及第一孤立建筑和第二孤立建筑之间的水平距离L₀；

根据来流风速v_i、体形系数β₂、高度H₂以及水平距离L₀确定第一尾流风速v₀₁。

可选的，第一获取模块，用于：利用公式二表达来流风速v_i，公式二：其中，h为当地平均风剖面上的点距离地面高度，v₁₀为距离地面参考高度10m高处的平均风速，α为风剖面指数。

可选的，第二获取模块，用于：

获取来流风速v_i、第一孤立建筑的体形系数β₁、高度H₁以及第一孤立建筑和第二孤立建筑之间的水平距离L₀；

根据来流风速v_i、体形系数β₁、高度H₁以及水平距离L₀确定第二尾流风速v₀₂。

可选的，判断模块，用于：

如果第一尾流速度v₀₁和第二尾流速度v₀₂的差值满足公式一，则确定第一孤立建筑未对第二孤立建筑产生影响；

如果第一尾流速度v₀₁和第二尾流速度v₀₂的差值不满足公式一，则确定第一孤立建筑对第二孤立建筑产生影响。

可选的，确定模块，用于：

将第一孤立建筑对第二孤立建筑产生影响时的第一孤立建筑和第二孤立建筑之间的水平距离L₀的最大值作为最大影响距离Lmax。

本发明提出的城市风环境CFD仿真区域选取装置，通过第一获取模块、第二获取模块获取尾流风速v₀₁、v₀₂，基于获取结果经判断模块判断第一孤立建筑是否对第二孤立建筑产生影响，以此通过确定模块、选取模块计算第一孤立建筑对第二孤立建筑的最大影响距离，并基于最大影响距离选取第二孤立建筑上空风场仿真区域。该装置能够较快速且准确的确定计算域的大小，可解决由计算域大小选取不恰当导致的计算结果失真的问题。

附图说明

构成本发明的一部分的说明书附图用来提供对本发明的进一步理解，本发明的示意性实施例及其说明用于解释本发明，并不构成对本发明的不当限定。在附图中：

图1为本申请一个实施例的城市风环境CFD仿真区域选取方法的流程图；

图2为本申请一个实施例中无第一孤立建筑A影响时第二孤立建筑B的风场示意图；

图3为本申请一个实施例中的第一孤立建筑A、第二孤立建筑B的参数示意图；

图4为本申请一个实施例中在第一孤立建筑A影响下第二孤立建筑B的风场示意图；

图5为本申请一个具体实施例的计算域确定方法的示意图；

图6为本申请一个实施例的城市风环境CFD仿真区域选取装置的结构示意图。

具体实施方式

需要说明的是，在不冲突的情况下，本发明中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。下面将参考附图并结合实施例来详细说明本发明。

以下结合具体实施例对本发明作进一步详细描述，这些实施例不能理解为限制本发明所要求保护的范围。

在描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。此外，在本发明的描述中，除非另有说明，“多个”的含义是两个或两个以上。

实施例：

本发明的主要目的是提供一种城市风环境CFD仿真区域选取方法及装置，以获得较为精准的计算域大小，解决由计算域大小选取不恰当导致的计算结果失真的问题。

为实现上述目的，本发明的一方面提供了一种城市风环境CFD仿真区域选取方法。

在图1中示出了本申请的一个实施例的城市风环境CFD仿真区域选取方法，具体来说，该方法包括：

S1，获取第一尾流风速v₀₁。

如图2所示，v₀₁为无第一孤立建筑A影响时，距离第二孤立建筑B水平距离2H₂位置的尾流风速，H₂为第二孤立建筑B的高度。其中，v₀₁可以随高度的变化而改变。

具体的，在第一孤立建筑A和第二孤立建筑B相同的来流风速入口条件下，第一尾流风速v₀₁的获取方式为：

首先，根据公式二获取来流风速v_i、获取第二孤立建筑B的体形系数β₂、高度H₂以及第一孤立建筑A和第二孤立建筑B之间的水平距离L₀，具体参数表示如图2、图3所示。

具体的，h为当地平均风剖面上的点距离地面高度，v₁₀为距离地面参考高度10m高处的平均风速，α为风剖面指数。

其次，采用CFD计算流体力学方法将来流风速v_i、体形系数β₂、高度H₂以及水平距离L₀作为初始条件，确定第一尾流风速v₀₁，即无第一孤立建筑A影响时，距离第二孤立建筑B水平距离2H₂位置的尾流风速。

S2，获取第二尾流速度v₀₂。

如图4所示，v₀₂为第二孤立建筑B受到第一孤立建筑A影响时，距离第二孤立建筑B水平距离2H₂位置的尾流风速，v₀₂可以随高度的变化而改变。

具体的，在第一孤立建筑A和第二孤立建筑B相同的来流风速入口条件下，第二尾流速度v₀₂的获取方式为：

首先，根据公式二获取来流风速v_i、获取第一孤立建筑A的体形系数β₁、高度H₁以及第一孤立建筑A和第二孤立建筑B之间的水平距离L₀，具体参数表示如图3、图4所示。

其次，采用CFD计算流体力学方法将来流风速v_i、体形系数β₁、高度H₁以及水平距离L₀作为初始条件，确定第二尾流风速v₀₂，即第二孤立建筑B受到第一孤立建筑A影响时，距离第二孤立建筑B水平距离2H₂位置的尾流风速。

S3，基于第一尾流速度v₀₁和第二尾流速度v₀₂，利用公式一判断第一孤立建筑A是否对第二孤立建筑B产生影响。

优选地，依据S1与S2的获取结果，可得出v₀₁为v_i、β₂、H₂以及L₀的函数，v₀₂为v_i、β₁、H₁以及L₀的函数，因此上述公式一可表示为如下：

具体的判断方式为：如果第一尾流速度v₀₁和第二尾流速度v₀₂的差值满足公式一，即沿第二孤立建筑B高度方向的积分小于或等于5％，则确定第一孤立建筑A未对第二孤立建筑B产生影响。

如果第一尾流速度v₀₁和第二尾流速度v₀₂的差值不满足公式一，即沿第二孤立建筑B高度方向的积分大于5％，则确定第一孤立建筑A对第二孤立建筑B产生影响。

S4，根据判断结果确定第一孤立建筑A对第二孤立建筑B的最大影响距离。

具体的，将第一孤立建筑A对第二孤立建筑B产生影响时的第一孤立建筑A和第二孤立建筑B之间的水平距离L₀的最大值作为最大影响距离Lmax。

可理解为，通过逐一对各第一孤立建筑A₁、…、A_n进行判别，得出某个方向上各第一孤立建筑A₁、…、A_n对第二孤立建筑B处最大的影响距离，基于此得到多个Lmax。

S5，基于最大影响距离Lmax选取第二孤立建筑B上空风场仿真区域。

具体的选取方式为：首先，以第一孤立建筑A₁为圆心，以A₁对应的Lmax为半径画圆，若该圆涵盖了第二孤立建筑B，则将第一孤立建筑A₁放在最终计算域的考虑范围内，反之，则不予考虑。

以此方式，逐一判断是否将第一孤立建筑A₁、…、A_n放在最终计算域的考虑范围内。

如图5所示，该图的中心为第二孤立建筑B，其周围是第一孤立建筑A₁、…、A₁₃，以第一孤立建筑A₁、…、A₁₃为圆心，分别以第一孤立建筑A₁、…、A₁₃对应的Lmax为半径画圆，可看出，以第一孤立建筑A₁、A₃、A₄、A₅、A₆、A₇、A₈为圆心的圆涵盖了第二孤立建筑B，以第一孤立建筑A₉、A₁₀、A₁₁、A₁₂、A₁₃圆心的圆未涵盖第二孤立建筑B。因此，将第一孤立建筑A₁、A₃、A₄、A₅、A₆、A₇、A₈放在最终计算域的考虑范围内。

其次，对比位于最终计算域考虑范围内的第一孤立建筑的Lmax，得到影响第二孤立建筑B的最远处的第一孤立建筑A。

如图5所示，经上一步骤得出第一孤立建筑A₁、A₃、A₄、A₅、A₆、A₇、A₈位于最终计算域的考虑范围内，且从图中可得出，A₈对第二孤立建筑B的最大影响范围Lmax的值最大，因此得到的影响孤立建筑B的最远处的第一孤立建筑为A₈。

最后，以第二孤立建筑B为圆心，以影响第二孤立建筑B的最远第一孤立建筑A与第二孤立建筑B的连线为半径画圆，此圆所覆盖的范围即为此第二孤立建筑B上空风场模拟范围。

以图5为例，经上一步骤得出影响孤立建筑B的最远处的孤立建筑为A₈，因此，以第二孤立建筑B为圆心，以孤立建筑A₈与第二孤立建筑B的连线为半径画圆，所得圆在该图中已用加粗的实直线表示，此圆所覆盖的范围即为此第二孤立建筑B上空风场模拟范围。

根据上述城市风环境CFD仿真区域的选取方法的实施例描述，可得出：本方法通过计算第一孤立建筑对第二孤立建筑的最大影响距离，并基于最大影响距离选取第二孤立建筑上空风场仿真区域，能够较快速、合理、便利地给出风场模拟范围，在节省计算资源的同时满足数值仿真对计算精度的要求。

本发明的另一方面提供了一种城市风环境CFD仿真区域选取装置，如图6所示，该装置包括第一获取模块61、第二获取模块62、判断模块63、确定模块64及选取模块65具体说明如下：

第一获取模块61，用于获取第一尾流风速v₀₁。

其中，v₀₁为无第一孤立建筑A影响时，距离第二孤立建筑B水平距离2H₂位置的尾流风速，H₂为第二孤立建筑B的高度。

第一获取模块61，用于：

获取来流风速v_i、第二孤立建筑的体形系数β₂、高度H₂以及第一孤立建筑和第二孤立建筑之间的水平距离L₀。

根据来流风速v_i、体形系数β₂、高度H₂以及水平距离L₀确定第一尾流风速v₀₁。

第一获取模块61，还用于：

利用公式二表达来流风速v_i，公式二：其中，h为当地平均风剖面上的点距离地面高度，v₁₀为距离地面参考高度10m高处的平均风速，α为风剖面指数。

第二获取模块62，用于获取第二尾流速度v₀₂，其中，v₀₂为受到第一孤立建筑影响时，距离第二孤立建筑水平距离2H₂位置的尾流风速。

第二获取模块62，还用于：

获取来流风速v_i、第一孤立建筑的体形系数β₁、高度H₁以及第一孤立建筑和第二孤立建筑之间的水平距离L₀。

根据来流风速v_i、体形系数β₁、高度H₁以及水平距离L₀确定第二尾流风速v₀₂。

判断模块63，用于基于第一尾流速度v₀₁和第二尾流速度v₀₂，利用公式一判断第一孤立建筑是否对第二孤立建筑产生影响，公式一：

判断模块63，还用于：

如果第一尾流速度v₀₁和第二尾流速度v₀₂的差值满足公式一，则确定第一孤立建筑未对第二孤立建筑产生影响。

如果第一尾流速度v₀₁和第二尾流速度v₀₂的差值不满足公式一，则确定第一孤立建筑对第二孤立建筑产生影响。

确定模块64，用于根据判断结果确定第一孤立建筑对第二孤立建筑的最大影响距离。

确定模块64，还用于：将第一孤立建筑对第二孤立建筑产生影响时的第一孤立建筑和第二孤立建筑之间的水平距离L₀的最大值作为最大影响距离Lmax。

选取模块65，用于基于最大影响距离Lmax选取第二孤立建筑上空风场仿真区域。

应当理解的是，城市风环境CFD仿真区域选取装置与其对应的城市风环境CFD仿真区域选取方法的实施例描述一致，故本实施例中不再赘述。

根据上述城市风环境CFD仿真区域选取装置的实施例描述，可得出该装置通过计算第一孤立建筑对第二孤立建筑的最大影响距离，并基于最大影响距离选取第二孤立建筑上空风场仿真区域，能够较快速、合理、便利地给出风场模拟范围，在节省计算资源的同时满足数值仿真对计算精度的要求。

以上仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (8)

1.一种城市风环境CFD仿真区域选取方法，其特征在于，包括：

获取第一尾流风速v₀₁，其中，v₀₁为无第一孤立建筑影响时，距离第二孤立建筑水平距离2H₂位置的尾流风速，H₂为第二孤立建筑的高度；

获取来流风速v_i、所述第二孤立建筑的体形系数β₂、高度H₂以及第一孤立建筑和第二孤立建筑之间的水平距离L₀；

采用CFD计算流体力学方法，根据所述来流风速v_i、所述体形系数β₂、所述高度H₂以及所述水平距离L₀确定所述第一尾流风速v₀₁；

获取第二尾流风速v₀₂，其中，v₀₂为受到第一孤立建筑影响时，距离第二孤立建筑水平距离2H₂位置的尾流风速；

获取来流风速v_i、所述第一孤立建筑的体形系数β₁、高度H₁以及第一孤立建筑和第二孤立建筑之间的水平距离L₀；

采用CFD计算流体力学方法，根据所述来流风速v_i、所述体形系数β₁、所述高度H₁以及所述水平距离L₀确定所述第二尾流风速v₀₂；

基于所述第一尾流风速v₀₁和所述第二尾流风速v₀₂，利用公式一判断所述第一孤立建筑是否对所述第二孤立建筑产生影响，公式一：h为当地平均风剖面上的点距离地面高度；

根据判断结果确定所述第一孤立建筑对所述第二孤立建筑的最大影响距离；

基于所述最大影响距离Lmax选取所述第二孤立建筑上空风场仿真区域。

2.如权利要求1所述的方法，其特征在于，获取来流风速v_i，包括：

利用公式二表达所述来流风速v_i，公式二：其中，h为当地平均风剖面上的点距离地面高度，v₁₀为距离地面参考高度10m高处的平均风速，α为风剖面指数。

3.如权利要求1所述的方法，其特征在于，基于所述第一尾流风速v₀₁和所述第二尾流风速v₀₂，利用公式一判断所述第一孤立建筑是否对所述第二孤立建筑产生影响，包括：

如果所述第一尾流风速v₀₁和所述第二尾流风速v₀₂的差值满足所述公式一，则确定所述第一孤立建筑未对所述第二孤立建筑产生影响；

如果所述第一尾流风速v₀₁和所述第二尾流风速v₀₂的差值不满足所述公式一，则确定所述第一孤立建筑对所述第二孤立建筑产生影响。

4.如权利要求1所述的方法，其特征在于，根据判断结果确定所述第一孤立建筑对所述第二孤立建筑的最大影响距离，包括：

将第一孤立建筑对第二孤立建筑产生影响时的第一孤立建筑和第二孤立建筑之间的水平距离L₀的最大值作为最大影响距离Lmax。

5.一种城市风环境CFD仿真区域选取装置，其特征在于，包括：

第一获取模块，用于获取第一尾流风速v₀₁，其中，v₀₁为无第一孤立建筑影响时，距离第二孤立建筑水平距离2H₂位置的尾流风速，H₂为第二孤立建筑的高度；

获取来流风速v_i、所述第二孤立建筑的体形系数β₂、高度H₂以及第一孤立建筑和第二孤立建筑之间的水平距离L₀；

采用CFD计算流体力学方法，根据所述来流风速v_i、所述体形系数β₂、所述高度H₂以及所述水平距离L₀确定所述第一尾流风速v₀₁；

第二获取模块，用于获取第二尾流风速v₀₂，其中，v₀₂为受到第一孤立建筑影响时，距离第二孤立建筑水平距离2H₂位置的尾流风速；

获取来流风速v_i、所述第一孤立建筑的体形系数β₁、高度H₁以及第一孤立建筑和第二孤立建筑之间的水平距离L₀；

采用CFD计算流体力学方法，根据所述来流风速v_i、所述体形系数β₁、所述高度H₁以及所述水平距离L₀确定所述第二尾流风速v₀₂；

判断模块，用于基于所述第一尾流风速v₀₁和所述第二尾流风速度v₀₂，利用公式一判断所述第一孤立建筑是否对所述第二孤立建筑产生影响，公式一：h为当地平均风剖面上的点距离地面高度；

确定模块，用于根据判断结果确定所述第一孤立建筑对所述第二孤立建筑的最大影响距离；

选取模块，用于基于所述最大影响距离Lmax选取所述第二孤立建筑上空风场仿真区域。

6.如权利要求5所述的装置，其特征在于，所述第一获取模块，用于：

利用公式二表达所述来流风速v_i，公式二：其中，h为当地平均风剖面上的点距离地面高度，v₁₀为距离地面参考高度10m高处的平均风速，α为风剖面指数。

7.如权利要求5所述的装置，其特征在于，所述判断模块，用于：

如果所述第一尾流风速v₀₁和所述第二尾流风速v₀₂的差值满足所述公式一，则确定所述第一孤立建筑未对所述第二孤立建筑产生影响；

如果所述第一尾流风速v₀₁和所述第二尾流风速v₀₂的差值不满足所述公式一，则确定所述第一孤立建筑对所述第二孤立建筑产生影响。

8.如权利要求5所述的装置，其特征在于，所述确定模块，用于：

将第一孤立建筑对第二孤立建筑产生影响时的第一孤立建筑和第二孤立建筑之间的水平距离L₀的最大值作为最大影响距离Lmax。