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收稿日期：2022-01-04作者简介：胜兴（1985-），男，辽宁沈阳人，高级工程师，硕士。
基于CFD 的校园室外风环境模拟分析和优化设计胜兴1，崔洁1，季爱宇2，李晖1，刘宇昕1（1.沈阳工程学院能源与动力学院，辽宁沈阳110136；2.辽宁长鑫工程技术有限公司，辽宁开原112300）摘要：针对某大学校园的室外风环境问题，建立校园内建筑的三维计算模型，通过PHOEN ‐ICS 软件确定合理的计算区域、网格划分及边界条件，利用模型算法对夏季和冬季的校园风环境分别进行模拟计算。
根据模拟结果，探讨校园内存在的风环境问题及形成的原因，结合相关的评价标准及行人的舒适度对室外风环境做出评价，总结该高校校园的风环境特征，从校园整体布局、建筑群布局优化、建筑单体设计等方面提出优化风环境的策略，为校园的建设和规划提供参考和借鉴。
关键词：校园建筑；CFD 模拟；室外风环境中图分类号：TU119文献标识码：A文章编号：1673-1603（2023）03-0001-05DOI ：10.13888/ki.jsie （ns ）.2023.03.001第19卷第3期2023年7月Vol.19No.3Jul.2023沈阳工程学院学报（自然科学版）Journal of Shenyang Institute of Engineering （Natural Science ）风环境作为室外影响人体舒适度的重要因素之一［1-2］，已经受到业内诸多学者的关注。
目前，研究室外风环境的方法主要有3种：实地测量、风洞试验及使用计算流体力学（CFD ）技术对流场进行模拟。
张泽超等［3］利用HYBPA2019软件，对某住宅区室外风环境进行了模拟研究，得到了该小区冬夏两季的风速、风压及空气龄数值。
单雅琪［4］利用ENVI-met 模拟了布局模式在高层住宅园区内的冬季风环境情况，分别从风速值和风速变化比两个方面分析了建筑周围的风环境，得出了高层建筑园区内的不同布局形式对建筑室外的风环境的影响。
某小区项目室外风环境模拟分析报告（模板）项目名称：委托单位：咨询单位：设计单位负责人：审核人：编制人：报告日期：20XX-10-10目录1模拟概述 (1)1.1项目概况 (1)1.2风环境简述 (1)1.3参考依据 (3)1.4评价说明 (3)2技术路线 (4)2.1分析方法 (4)2.2湍流模型 (5)2.3几何模型 (7)2.4参数设置 (8)2.5气候状况 (10)3 模拟结果分析 (11)3.1夏季及过渡季 (11)3.2冬季 (15)4 结论 (19)1模拟概述1.1项目概况本工程位于XX市XX街道XX北路以东、新北路以北，地理位置优越，交通便利。
拟建10栋高层住宅、商业及配套用房，地下非机动车库及地下机动车库。
该地块总用地面积为20万m2，总建筑面积15万m2，计容面积2万m2，总建筑占地18万m2，容积率2.2，建筑密度30.3%，绿地率25.3%。
1.2风环境简述建筑群和高大建筑物会显著改变城市近地面层风场结构。
近地风的状况与建筑物的外形、尺寸、建筑物之间的相对位置以及周围地形地貌有着很复杂的关系。
在有较强来流时，建筑物周围某些地区会出现强风；如果这些强风区出现在建筑物入口、通道、露台等行人频繁活动的区域，则可能使行人感到不舒适、甚至带来伤害，形成恶劣的风环境问题。
在一般的气候条件下，他们直接影响着城市环境的小气候和环境的舒适性；一旦遇到大风，这种影响往往会变成灾害，使建筑外墙局部的玻璃幕墙、窗扇、雨棚等受到破坏，威胁着室内外的安全。
建筑合理布局是改善室外行人区热舒适的关键；主要是避免在寒冷冬季室外行人区风速加速（西北风情况下），如风巷效应，同时在与西北风垂直方向最好增加裙房，加大底座尺寸，避免冲刷效应和边角效应等，如图2所示。
调查统计显示：在建筑周围行人区，若平均风速V>5 m/s的出现频率小于10 %，行人不会有什么抱怨（在10 %大风情况下建筑周围行人区风速小于5 m/s，即可认为建筑周围行人区是舒适的）；频率在10%～20%之间，抱怨将增多；频率大于20 %，则应采取补救措施以减小风速。
某小区区建筑风环境模拟报告目录1. 模拟过程及使用软件介绍 (2)1.1 建筑风环境模拟使用软件介绍 (2)1.2 建筑风环境模拟过程 (2)1.2.1 几何模型的建立 (3)1.2.2 网格的划分 (5)1.2.3 求解参数设置 (6)2. 模拟结果 (12)3. 建筑风环境模拟研究思路及问题 (16)附录I 从百度地图获取三维几何模型的尝试 (17)附录2 Fluent入口边界速度UDF命令 (19)REFERENCE (19)建筑风环境的研究主要有三种方式：现场实测、数值模拟和风洞试验。
随着计算机软硬件技术水平的发展，计算能力及计算精度不断提高，计算流体力学（Computational Fluid Dynamics：CFD）的理论和方法得到了不断改进。
基于CFD 技术对流场进行模拟具有操作周期短，操作成本低，可反复修改的特性，相比较于现场实测和风洞试验具有更广阔的应用前景。
但是由于数值模拟技术对输入的参数十分敏感，必须辅以现场实测或风洞试验的验证。
本次模拟区域直径500m，模拟的工况为10m高度处风速为10m/s，风向为225°，输出结果查看高度10m,20m,40m,78m,100m处的速度云图、速度矢量图和压力云图。
1. 模拟过程及使用软件介绍1.1 建筑风环境模拟使用软件介绍（1）前处理软件ANSYS ICEM CFD 15.0ICEM是ANSYS CFD软件族中前处理软件之一。
具有强大的网格划分功能，接口丰富，可接受绝大多数几何模型格式导入，例如AUTO CAD、SolidWorks、PRO/E等。
（2）求解软件ANSYS Fluent 15.0占据CFD领域绝对领先地位的流体仿真软件。
具有多种物理算法、物理模型。
在医学、航天、机械工程等领域均应用广泛。
（3）后处理软件Tecplot 360提供丰富的绘图格式，具备强大的CFD结果可视化功能，图形美观。
1.2 建筑风环境模拟过程使用计算流体力学对建筑室外风场进行数值模拟一般包括以下四个步骤：（1）几何模型的建立（2）对几何模型进行合适的网格划分（3）将划分网格后的模型导入Fluent，设置求解参数并求解（4）结果的后处理（速度云图、速度矢量图、压力云图等）1.2.1 几何模型的建立在几何模型的建立部分，现阶段采用的是陈宸的模型，他是根据彰武校区附近区域的城规图建立CAD 三维模型（据陈宸描述来自他建筑学院的朋友提供）。
高层办公建筑标准层的CFD模拟分析Part I CFD技术在建筑设计中的应用1.什么是CFDCFD是计算流体力学英文Computer Fluid Dynamics的简称，是一种计算机模拟技术，包括各种物理模型的模拟计算，应用于各个领域，航空航天、家电行业、骑车工程、生物医学、化工、暖通空调、水利、船舶、采矿技术、能源，等等。
船舶工程航空汽车（图片摘自网络）在计算流体动力学方面，对于建筑设计的意义较大。
CFD技术能对室内室外风环境、热环境、声环境的提供很多难以预测的评价分析，从而为下一步的优化设计提供理性的参考。
随着国家今年来对环境保护资源节约的逐渐重视，建筑行业内也逐渐开始重视绿色建筑的设计与研究。
2.CFD 在建筑领域的应用CFD出现于1933年，英国人首次运用手摇计算机数值求解了二维粘性流体偏微分方程。
于1974年首次被用于模拟房间内的空气流动，但是只是服务于暖通空调专业。
随后的几十年间，在建筑设计领域的运用越来越广，如今已经成为建筑师和空调工程师分析问题时很重要的一种工具了。
CFD如今在建筑领域中的应用主要有两方面：1.室外环境的模拟分析一般在做小区规划时运用得较多，现在城市热岛效应、小区热气候等问题越来越受人重视，人们对居住的环境要求也原来越高了。
因此，设计者在做小区规划时，用CFD对区域尺度建立模型，进行模拟，为避免不好的环境效果提供理论依据。
流程图摘自《基于CFD风热环境模拟的小区规划方案研究》——齐静反复调整，追求更佳。
2.室内环境的模拟分析首先建立需要分析的对象模型，根据所建立的模型，利用CFD 软件对室内热环境进行模拟计算，得出了室内温度场及速度场的分布情况图，分析图纸，对照建筑热舒适设计指标，找出不利因素，并修改方案，优化设计。
摘自《广东地区某建筑夏季室内热环境的CFD 仿真评价》3.CFD分析的基本过程通常，CFD模拟分析可以分为以下几个步骤：◆建立模型◆划分网格◆前处理设置◆收敛（求解）◆后处理——结果可视化即出图，常见的建筑风环境相关的图有：速度矢量图、流线图，压力云图，空气龄，污染物浓度分布图等，还能生成相应的动画。
CFD技术在房地产项目规划设计中风环境的模拟分析应用摘要：cfd是英文computational fluid dynamics（计算流体动力学）的简称。
cfd是伴随着计算机科学、数值计算技术的发展而成长起来的一门新兴科学。
在建筑行业，cfd 模拟技术正被越来越广泛工程师使用于室内外风热环境的模拟。
本文分别对风环境模拟和cfd技术进行了简要介绍，并对项目实际分析案例天鸿美和院进行了相应介绍，对天鸿美和院项目的风环境进行模拟分析，模拟计算采用的软件为ansys? fluent 软件，预测出相应的结果，然后，对项目的规划设计布局进行论证和提出相关建议，并通过此次的cfd技术的应用研究，能为后续其他项目的风环境模拟分析积累经验。
关键词：cfd、天鸿·美和院、规划设计、风环境、模拟分析中图分类号：tb126 文献标识号：a 文章编号：2306-1499（2013）05-（页码）-页数1. 风环境模拟简介现代社会，人们对建筑的依赖程度非常高，对建筑内外环境的要求也越来越高。
新的建筑环境标准受到关注，表现在相关的各个方面如室内的气流组织控制，污染物消除与分布预测，舒适性分析，灾害分析等和室外小区风热环境等方面。
传统采用粗略大空间平均计算的结果，难以适应现代建筑物理精细化分析的数据需求。
因此，在建筑行业，计算流体力学正被越来越广泛使用于室内外风热环境的模拟，cfd 技术在这些方面的细致研究中具有不可替代的优势。
随着计算机软硬件的发展和成本降低，使cfd 的应用也日益普及。
同时，随着对建筑内外流场研究的深入，对上述问题进行描述的专业模型越来越完善，模拟结果越来越接近真实，很高的可信度，对设计有着较强的指导作用。
另一方面，就建筑外环境而言，对建筑内部居者的生活确有着重要的影响。
建筑小区二次风、小区热环境等问题日益受到人们的关注。
采用cfd 技术可以方便地对建筑外环境进行模拟分析，并结合地形地貌，建筑布局，绿化水景等设计，构建出良好的区域风环境。
某小区区建筑风环境模拟报告目录1. 模拟过程及使用软件介绍 (2)1.1 建筑风环境模拟使用软件介绍 (2)1.2 建筑风环境模拟过程 (2)1.2.1 几何模型的建立 (3)1.2.2 网格的划分 (5)1.2.3 求解参数设置 (6)2. 模拟结果 (12)3. 建筑风环境模拟研究思路及问题 (16)附录I 从百度地图获取三维几何模型的尝试 (17)附录2 Fluent入口边界速度UDF命令 (19)REFERENCE (19)建筑风环境的研究主要有三种方式：现场实测、数值模拟和风洞试验。
随着计算机软硬件技术水平的发展，计算能力及计算精度不断提高，计算流体力学（Computational Fluid Dynamics：CFD）的理论和方法得到了不断改进。
基于CFD 技术对流场进行模拟具有操作周期短，操作成本低，可反复修改的特性，相比较于现场实测和风洞试验具有更广阔的应用前景。
但是由于数值模拟技术对输入的参数十分敏感，必须辅以现场实测或风洞试验的验证。
本次模拟区域直径500m，模拟的工况为10m高度处风速为10m/s，风向为225°，输出结果查看高度10m,20m,40m,78m,100m处的速度云图、速度矢量图和压力云图。
1. 模拟过程及使用软件介绍1.1 建筑风环境模拟使用软件介绍（1）前处理软件ANSYS ICEM CFD 15.0ICEM是ANSYS CFD软件族中前处理软件之一。
具有强大的网格划分功能，接口丰富，可接受绝大多数几何模型格式导入，例如AUTO CAD、SolidWorks、PRO/E等。
（2）求解软件ANSYS Fluent 15.0占据CFD领域绝对领先地位的流体仿真软件。
具有多种物理算法、物理模型。
在医学、航天、机械工程等领域均应用广泛。
（3）后处理软件Tecplot 360提供丰富的绘图格式，具备强大的CFD结果可视化功能，图形美观。
1.2 建筑风环境模拟过程使用计算流体力学对建筑室外风场进行数值模拟一般包括以下四个步骤：（1）几何模型的建立（2）对几何模型进行合适的网格划分（3）将划分网格后的模型导入Fluent，设置求解参数并求解（4）结果的后处理（速度云图、速度矢量图、压力云图等）1.2.1 几何模型的建立在几何模型的建立部分，现阶段采用的是陈宸的模型，他是根据彰武校区附近区域的城规图建立CAD 三维模型（据陈宸描述来自他建筑学院的朋友提供）。
对于后续的研究，比如其他的密集城市高层区域或更大的研究尺度，应寻找更高效易推广的方式，对于此种方式初步的探索及困难见附录I 。
除了建筑物本身的几何模型外，对于建筑室外风环境的模拟，应限定流场的范围，即建立计算域。
计算域的尺寸会影响CFD 模拟的结果，设置的计算域要考虑风场不受堵塞效果的影响，同时为了求解的速度（及对计算机性能的要求），应尽可能小以减小网格数目。
建筑的阻塞率由下式计算：w d=A A 建筑物最大迎风面积阻塞率流域横截面积 阻塞率大时，风路变狭会产生比实际模型大的风速。
为防止这种现象，有必要将建筑物投影面积与计算区域断面面积的比例控制在5%以下[s]。
同时，建筑物在计算域的摆放位置应距离出流面有较大的距离以保证流动能够充分发展。
若出流位置太靠近建筑物，则流动可能还没有达到完全发展的状态，甚至可能还处在因建筑物阻挡而形成的尾流回流区中，见图1.1，因此，摆放好建筑物在计算域中的位置是获得良好数值模拟结果的前提。
图1.1 建筑物尾部回流区示意孙晓颖[s]对单体建筑物CFD 模拟时的计算域及模型摆放位置进行了研究，结果如图1.2所示，对于高层建筑和底层建筑，计算域的尺寸有所区别，见表1.1。
图1.2 建筑物在计算域中摆放的位置规定表1.1 不同高度建筑物的计算域尺寸上述计算域尺寸是针对单体建筑的，对于群体建筑应有所区别。
根据Franke[F]等编撰的城市风环境模拟指南，城市建筑群的计算域应按图1.3选取。
图1.3 计算域尺寸及位置示意图几何模型取彰武6号楼为中心的直径500m的区域，该尺度介于单体建筑和城市群建筑之间，参照其他学者[z]关于小区尺度的CFD模拟，确定的计算域尺寸如图2.4所示（红色圆点表示区域中心，彰武6号楼西南侧角点），区域内最高的建筑物为彰武6号楼，高度为78.8m，入口边界距区域中心点取500m,出口边界距区域中心取1200m,两侧边界距区域中心取750m,计算域的高度取240m。
建筑的三维几何模型见图1.5（红色箭头所示为彰武6号楼）.图1.4 计算域尺寸示意图1.5 彰武校区3维几何模型示意1.2.2 网格的划分将cad 模型输出为iges 格式，导入到ANSYS ICEM CFD 中，划分网格并初步设置边界条件（需要在Fluent 中重新设定）。
由于流场在建筑壁面处收到建筑物阻挡，流动趋于复杂，所以在建筑壁面处网格细分。
在远离建筑区域的部分，最大网格尺寸允许达到10m,建筑表面最大网格允许达到5m ，平均网格尺寸为2m 。
划分后的网格见图1.6.出口边界图1.6 彰武6号楼CFD模拟有限元模型1.2.3 求解参数设置将ICEM划分好网格的文件输出为msh文件，导入Fluent，进行求解参数的设置。
主要参数包括求解基的选择，湍流模型的选择，边界条件的确定，残差控制设置等。
（1）求解基的选择Fluent提供两种求解基，即Pressure-Based和Density-Based求解器,如图1.7所示。
其中Pressure-Based是针对低速、不可压缩流开发的，Density-Based是针对高速、可压缩流开发的。
图1.7 Fluent求解器风是由于空气受热不均匀，密度改变引起的流动。
空气理论上是可压缩流体，但是在常温常压下气体做低速流动时（V<=100m/s），气体的密度相对变化小于5%，可按不可压缩流体处理（Boussinesq假设）。
不可压缩流体的连续方程如下所示U1，u2,u3是速度沿坐标轴方向的分量。
该方程相比较于一般的质量守恒方程（见下式），由于密度不随时间变化，故更易于求解。
选用Pressure-Based基求解。
关于非定常还是定常求解，风是随机过程，理论上是非定常的，但是目前学者们多采用定常来模拟，本次也选择非定常求解。
（2）湍流模型的选择湍流是普遍存在的，层流是个例。
对建筑物室外风场的模拟需要考虑湍流的影响。
目前对湍流的数值模拟方法见图1.8。
图1.8 湍流的数值模拟方法Reynolds平均法是目前应用最广泛的湍流模拟方法，根据对Reynolds应力做出的假定不同，又可分为Reynolds应力模型和涡粘模型，见图1.9。
本次模拟最终采用RSM模型进行湍流的模拟（事实上，湍流模型的选择并不是唯一的，可以进行不同湍流模型之间的对比）。
在Fluent里湍流模型的设置见图1.10.图1.9 Reynolds平均法的分类图1.10 Fluent里湍流模型的设置（3）边界条件的确定边界条件是流场变量在计算边界上应该满足的数学物理条件，指在求解域的边界上所求解的变量或其一阶导数随地点及时间变化的规律。
边界条件与初始条件一起并称为定解条件，只有在边界条件和初始条件确定后，流场的解才存在，并且是唯一的。
边界条件是否合理决定着计算过程中是否发散（divergence）对于流动入口，在入口压力未知的情况下，一般选用速度入口边界条件（velocity-inlet），对于速度入口边界条件，需要定义流入的速度形式，可以选择平均风分布或风剖面的形式。
平均风分布风速不随高度改定，仅输入风速的大小和方向，较为粗糙。
风剖面能够反映风速随高度变化，及下垫面的粗糙情况，更接近实际情况，但需要用户自己写出函数的程序语言通过UDF（user defined function）调用，本次选取风剖面形式定义入口速度。
风剖面一般采用指数律或对数律两种形式表达。
指数律是由Davenport[D]根据大量观测资料总结出来的表达形式，由于使用起来比较简便，广泛应用于工程中，如中国《建筑结构荷载规范》（GB50009-2012）、美国规范（ASCE7-05）和日本规范（AIJ2004）均采用了指数律。
对数律在气象学中应用得比较多，在100 m 高度范围内使用对数律风剖面能够得出比较满意的结果。
对数律的表达公式见下式指数律的表达公式见下式式中Z d——零平面位移；U r——参考高度Z r处的风速；Z r——参考高度，一般取10m高度处；——地面粗糙度指数。
指数律和对数律均属于半经验、半理论公式，两种形式计算的结果相差不大。
本次模拟采用指数律的表达形式。
参考高度取离地10m。
10m高度处的风速设置为10m/s，风向设置为（1,0,0）数根据荷载规范取为0.3。
荷载规范对不同类型地表的粗糙度规定见表1.2。
udf 命令见附录2。
表1.2 粗糙度指数表出口边界假定流动完全发展，定义为outflow，即流场任意物理量沿出口法向梯度为零。
建筑物壁面和地面采用无滑移（no-slip）的壁面条件；计算域顶面和两个侧面采用自由滑移的壁面条件。
在Fluent里壁面设置选项见图1.11。
图1.11 Fluent里壁面设置选项（4）残差控制设置残差采取Fluent默认设置。
计算过程中的残差曲线见图1.12。
图1.12 计算过程中的残差收敛曲线2. 模拟结果建筑风环境的CFD模拟，一般查看流场在不同高度处的速度分布云图、速度矢量图和压力分布云图。
由于Fluent自身的后处理功能并不强大，因此采用Tecplot对结果进行后处理。
在Fluent中结果的展示见图1.13.图1.13 10m高度处速度矢量图分布（Fluent自身后处理图片）将fluent文件输出为plt 格式，导入Tecplot 360 2015 中，分别显示高度10m、20m、40m、78m、100m处的速度云图、速度矢量图和压力云图。
在设定的工况下，10m高度处风速为10m/s, 风向为225°。
不同高度处的速度云图、速度矢量图和压力云图见图1.14.（a）10m高度处速度云图（b）10m高度处速度矢量图（c）10m高度处压力分布云图（a）20m高度处速度云图（b）20m高度处速度矢量图（c）20m高度处压力分布云图（a）40m高度处速度云图（b）40m高度处速度矢量图（c）40m高度处压力分布云图（a）78m高度处速度云图（b）78m高度处速度矢量图（c）78m高度处压力分布云图（a）100m高度处速度云图（b）100m高度处速度矢量图（c）100m高度处压力分布云图图1.14 不同高度处的速度云图、速度矢量图和压力分布云图区域内三维视角下的建筑物表面风压分布见图1.15，图中黑色箭头处表示彰武6号楼。
