流体力学在建筑工程中的应用
姓名：杜科材班级：1033002 学号:1103300233
摘要：简要介绍了流体力学的基本知识，针对计算流体力学计算的特点及模拟
的目的, 对当前CFD 在建筑工程方向的研究进展进行了论述, 介绍了CFD的处理过程, 探讨了CFD 技术在建筑工程中的应用前景, 指出将理论分析、实验研究及数值模拟结合起来, 从而推动建筑工程的发展。并结合实际的工程实例论述了计算流体力学在现代建筑消防设计中的应用。
关键词：流体力学；建筑工程；数值模拟；烟气流场模拟
1 流体力学学科的研究方法
流体力学是力学的一个重要分支, 是一门重要的技术基础课程.它是研究流体的机械运动规律以及运用这些规律解决实际工程问题的一门学科。流体力学是一门既有较强理论性又有较强工程实际意义的课程, 几乎每本流体力学教科
书的绪论中都提到: 流体力学是为解决实际问题而产生的,并随着社会的发展而进步的学科。许多近现代科学的重大成就都源于流体力学的研究, 从上远古时期的治水工程, 到18世纪造船、航海的崛起, 从20 世纪的航空技术的发展, 到现在生物技术、环境科学的飞速进步, 无不渗透着流体力学的相关理论。在整个流体力学课程的学习过程中, 大多数人都被深奥的理论、繁杂的概念和高阶偏微分方程所难倒。这就要求学习者必须有扎实的高等数学知识、灵活的综合分析问题和处理问题能力。
特别是在21 世纪, 最激烈的竞争就是高素质人才的竞争。而高校教育的任务就是要为国家培养造就一大批具有宽广、深厚、扎实的基础理论和技术基础理论, 具有创新性和创造性的高级工程技术人才以适应经济时代对人才的要求。因此要求学生在拓宽基础知识面, 打好坚实的理论基础的基础上重点提高综合析
和迅速解决问题的能力流体力学作为一门古老的学科, 其生命力在于不断同其
它学科领域相结合, 用它自身的学科视角审视其它领域, 解决其中存在的有关
问题, 同时其自身在解决各种矛盾问题当中得到不断的发展同。任何一门学科的知识量是无尽的, 不可能通过有限的学时讲授很多内容, 如何运用流体力学基
本理论解决实际问题就显得十分重要。
那么, 流体力学的学习有什么规律可寻? 怎样才能与实际工程相结合? 这
对教与学的双方都提出了更高的要求。
概括起来, 流体力学的研究方法大致分为3 类: 实验、理论和数值模拟方法。
1.1 实验方法
实验方法是通过对具体流动的观察与测量, 来认识流动的规律。理论上的分析结果需要经过实验验证, 实验又需用理论来指导. 流体力学的实验研究, 包
括原型观测和模型实验, 而以模型实验为主。
1.2 理论方法
理论方法是通过对流体物理性质和流动特征的科学抽象, 提出合理的理论
模型。根据物质机械运动的普遍规律,建立控制流体运动的闭合方程组, 将实际的流动问题, 转化为数学问题, 在相应的边界条件和初始条件下求解。理论研
究方法的关键在于提出理论模型, 并能运用数学方法求出理论结果, 达到揭示
运动规律的目的。由此而产生了多相流体力学等。
1.3 数值方法
数值方法是在计算机应用的基础上, 采用各种离散化方化方法(有限差分法、有限元法等) , 建立各种数值模型, 通过计算机进行数值计算和数值实验, 得
到在时间和空间上, 许多数字组成的集合体, 最终获得定量描述流场的数值解。近三四十年来, 这一方法得到很大发展, 已形成一个专门的分支学科——计算
流体力学。
2 计算流体力学在建筑工程中的应用
2.1 计算流体力学简介
计算流体力学( Computational Fluid Dynamics, 简称CFD) 是基于计算机技术的一种数值计算工具, 用于求解流体的流动和传热问题。它是流体力学的一个分支, 用于求解固定几何形状空间内的流体动量、热量和质量方程以及相关的其他方程, 并通过计算机模拟获得某种流体在特定条件下的有关数据。CFD 最早用于航空航天事业, 用离散方程解决空气动力学中的流体力学问题,后来不断扩展到海洋[ 1] 、化学[ 2] 、铸造[ 3] 、制冷[ 4] 、城市规划设计[ 5] 、汽车[ 6] 等多个领域。近年来, CFD 也开始越来越多地应用到建筑工程中, 如对于高层建筑风场的模拟。
CFD计算相对于实验研究, 具有成本低、速度快、周期短、效率高, 可以模拟真实及理想条件, 后处理技术较完善, 便于分析计算结果等优点。20 世纪60 年代末, CFD 技术已经在流体力学各相关行业得到了广泛的应用[ 7] 。这些年来, 随着计算机技术的发展, CFD 应用方面的研究开始活跃起来。CFD 模拟的目的是做出预测和获得信息, 以达到对流体流动的更好控制。建立数学物理模型是对所研究的流动问题进行数学描述。数学模型主要是由一组微分方程组成, 这些方程的解就是CFD 模拟的结果。CFD的基础是动量、能量、质量守恒方程, 在实际的应用中还会综合利用其他方程。CFD 计算的方法主要有三种: 有限差分法、有限体积法、有限元法。计算流体力学是多领域交叉的学科, 涉及计算机科学、流体力学、偏微分方程的数学理论、计算几何学、数值分析等学科。这些学科的交叉融合, 相互促进和支持, 也推动着这些学科的深入发展。
当然数值模拟也有一定的局限性: 1) 要有准确的数学模型,这不是所有问
题都能够做到的; 2) 数值模拟中对数学方程进行离散化处理时需要对计算中所遇到的稳定性、收敛性等进行分析。这些分析方法大部分对线性方程是有效的, 对非线性方程则无效; 3) 受到计算机本身条件的限制, 即计算机运行速度和容量的限制, 只有计算机的速度、内存和外围设备达到一定程度时才会有计算流体力学发展新阶段的出现。作为一门发展学科, 必然需要一个逐步成熟、完善的过程。
2.2 CFD在建筑工程中的应用
风是影响建筑物设计的主要气象因素之一, 兴建一座有足够抗风强度的高
层建筑需要考虑到风对结构体的动态载重效应、建筑外墙的风压、建筑物在强风作用下的摆动等结构安全性问题。对于大楼周边风场变化情形研究主要采用风洞物理模拟试验, 但随计算机硬件水平的飞速发展和CFD 技术的不断完善, 出现
了与试验相对应的数值模拟方法。建筑工程结构抗风的数值模拟有其自身的特点, 研究的对象多是钝体绕流问题。由于钝体绕流的特殊性, 钝体外流体的数值模拟和流线体相比较存在诸多困难。尤其是湍流模型的选取, 要考虑模型对所求解问题的适用性[ 8] 。比如: 高层建筑的几何模型可以考虑为矩形。一般选用工程中应用广泛的基于雷诺均值的标准模型。流场的控制方程是粘性不可压N-S方程。
3.案例介绍及性能化评估内容
3.1 案例介绍
本案例涉及的建筑是北京市一栋已建成的建筑,由于原设计不能满足我国现行强制性防火规范要求,无法通过消防验收。该建筑的建设单位请北京市消防
局和国家建筑设计研究院共同为该建筑进行火灾模拟设计, 确定是否需加设排
烟系统。
1) 建筑概况。该建筑为现浇钢筋混凝土结构,建筑面积为20 840 m2, 建筑形式可以归类为塔式核心桶式, 建筑层数为19 层( 地上17 层, 地下2 层) ,
建筑主体高度( 檐口标高) 为60.6 m, 建筑类别为一类, 耐火等级为一级, 标
准层面积约1 200 m2, 为工字形内走道, 南北各设一部疏散楼梯, 北楼梯设疏散楼梯间前室, 南楼梯设合用前室。设有四部电梯, 其中三部为客用电梯, 电梯层门开向内走道( 兼电梯厅) , 一部为消防电梯, 电梯层门开向合用前室。办公区域为大开间设计, 局部角落设领导小开间办公室。该建筑在南北楼梯间和前室都设了消防机械加压设施, 可保证火灾时烟气不轻易侵袭楼梯间和前室, 工字形
内走道原设计虽有外窗自然排烟, 但因设计变更, 外窗被堵塞使自然排烟失效, 造成超过20 m 长的内走道不能满足消防设计规范要求。
2)人员情况。该建筑为办公建筑, 人员主要为本单位职工, 相对固定。从火灾场景下人员疏散心理分析, 人员仅需要熟悉所在层建筑布局和首层建筑疏散
通道布局, 就能保证满足疏散要求。
3)火灾荷载。该建筑的火灾荷载主要分布在办公区, 火灾荷载主要为办公家具、电器设备和办公用纸张、资料等。家具主材为中密度板, 外贴防火板。所以, 火灾荷载按中危险级考虑。
4)安全防火措施。该建筑三至十七层每层为一个防火分区, 一、二层各分设三个防火分区, 地下一层、地下二层各为两个防火分区。防火墙采用加气混凝土砌块, 地面铺地砖、墙面刷白、屋顶使用硅钙板吊顶。办公家具外贴防火板。其他材料性能、砌筑构造及面层做法符合防火有关的规范要求。全楼设置消火栓给水系统、自动喷水灭火系统和火灾自动报警控制系统, 以及火灾紧急广播系统、应急照明系统和安全疏散指示灯。
5)需要解决的问题。该建筑的工字型内走道,全长44 m, 最大长度26 m, 未设置排烟设施, 不符合《高层民用建筑设计防火规范》有关规定。
3.2 性能化评估内容
