文档介绍：CFD稳态数值模拟的建议
近年来,建筑计算风工程的研究和应用得到了很大的进步,但其数值计算的精度非常重要。数值模拟是一种近似解,误差的大小决定了求解的精度,误差主要产生于三个方面:模型误差、离散误差和迭代误差。下面主要根据数值模拟方面的实践和体会,并参考一些资料,从数值模拟计算域的尺寸、计算网格、对流项插值阶数、湍流模型、数值模拟结果的判断等几个方面提出一些建议。同时还选取一个立方体实测模型的结果进行比较验证。
(a) 计算域设置
在对建筑物表面风压进行数值模拟时,是将一个无限大的空间用一个有限的计算域来代替,即在距离建筑较远的地方人为设置几个避免,使求解于封闭,并保证这些壁面设置不会对建筑表面风压数值计算结果产生影响,即求解域的大小不宜太小,但也不宜太大以免增加计算量。从影响建筑物壁面风压考虑,对低矮建筑物(包括大跨度建筑),设h为建筑物的高度,建议入口距建筑物迎风面保证4h~5h的距离,建筑物侧面和顶面距各自流域边界的距离应大于4h。此时最大阻塞率小于 3%。但是,高层建筑与低矮建筑物有所区别,因为低矮建筑以顶面绕流为主,而高层建筑则以侧面绕流为主。高层建筑计算域的高度H可小于3h,而计算域的水平宽度B应大于8倍建筑物宽度,此时阻塞率小于5%。背风壁面距出口的距离应使湍流充分发展,所以出口应距建筑物远一些,一般要求9h~10h。若距离太小,出口处有回流,则计算会出现发散。在大尺度建筑物平均风压模拟时,有时也可适当减少背风壁面距离,因为一般远场的网格较粗,湍流耗散较快,并且输运方程中都以对流项为主,较远下游的流动对上游影响较小,所以大多取7h~8h就可基本消除人为设置出口边界的影响。
(b) 计算域网格设置
进行CFD数值模拟计算时,首先要将计算区域离散化,即网格划分,数值计算是在离散网格点上满足流体动力学基本方程,因此网格划分将对数值模拟结果有直接影响。网格划分对计算精度的影响包括网格类型和网格尺度两方面。网格类型分为结构化网格和非结构化网格,一般建筑物体型较为复杂,生成结构化网格比较困难,在实际应用时往往采用非结构化网格,但对于简单形体,应该采用结构化网格,因为当流体流动和网格成一条直线时数值耗散最小。网格尺度的影响主要体现在近壁面网格的密度上,近壁面网格距壁面的距离可以用无量纲距离表征。
         
式中ux为摩擦速度,y为第一排网格节点距壁面的法向距离,ρ和μ分别为流体的密度和动力粘性系数。
由于非平衡壁面函数基于Launder和Spalding提出的平均速度对数率强烈的依赖于压力梯度理论,而壁面速度的对数率仅在范围的边界层中适用,因此,在运用壁面函数来模拟近壁面流动时,网格布置的关键是确定第一排网格的位置,一般原则是第一排网格应布置在左右而不宜太密。数值风洞的模拟结果很大程度上取决于计算域网格划分的优劣。因此网格应当精细到足够捕捉到剪切层、旋
涡等物理现象的特征变化,网格的质量也必须足够的高。在流动变化梯度大的区域,网格的拉伸或压缩率应当小,使得截面误差小,。在大型建筑中,流动参数沿壁面法线方向变化剧烈,因此在壁面法向,网格需要加密,以精确求解壁面边界层内的压力。就计算网格形状而言,六面体优于四面体,前者可以引入较小的截断误差,并显出良好的收敛性。然而,在风工程中几何体总是非