不同網格類型對建筑風環境仿真結果的影響

陳 佳 王夢林

(北京構力科技有限公司，上海 200023)

引言

在使用CFD進行建筑風環境仿真的時候，首先需要根據建筑模型的形狀，生成計算所需的流體域網格模型[1]，網格的生成工具很多，可以手動劃分生成網格，也可以選擇自動劃分網格。通常為了力求實際模型的形狀與網格模型的形狀保持一致，研究人員會消耗大量的精力，在專業的前處理工具上進行網格劃分，復雜的模型生成符合模型外形的計算網格更是難上加難。而在綠建風環境仿真時，往往不可能花費大量時間進行手動網格劃分，因此自動網格劃分就成了最佳選擇。

開源CFD軟件OpenFOAM自帶的網格生成工具就是在設置相關參數后能自動生成網格。通常探討流體網格主要指結構網格或者非結構網格， 但本文討論的不同網格類型并非通常所指的結構網格和非結構網格，因為OpenFOAM自帶的snappyHexMesh工具生成的都是非結構網格，針對OpenFOAM的非結構網格，可選擇的網格類型有貼體網格和非貼體網格。網格模型中網格節點位于建筑表面，與建筑實際模型表面相一致的網格稱為貼體網格。在網格生成過程中不考慮網格節點與建筑表面實際模型相一致的網格稱為非貼體網格。OpenFOAM的體貼網格是在非貼體網格的基礎上進行生成的。

貼體或者是非貼體兩種網格類型，哪一種更適合綠建風環境仿真，本文主要就是探討OpenFOAM中貼體網格或非貼體網格對計算結果的影響。

1 研究現狀

近年來，BIM技術在建筑領域的應用越來越廣泛[3]，在建筑的設計初期，風環境對建筑的影響也是一個很重要的考慮因素。同時現在綠色建筑的理念也越來越被人們理解和接受，風環境同樣也是綠色建筑評價體系[3-5]中一個重要的環節，因此做好建筑風環境的模擬以及對模擬結果的準確性判斷至關重要。

國內外對于建筑風環境的仿真已經發展很多年了，國內有較多論述[6-8]綜合性介紹了仿真技術在風環境的應用，國外也有人[9-10]總結了建筑風環境仿真中的關注點和關鍵技術， 他們對建筑風環境仿真技術起到了很好的推動作用。也有很多探討了仿真過程中所使用的網格類型，主要是關于結構網格和非結構網格，比如康忠良等[11]和閻超等[12]對結構網格和非結構網格進行了詳細的論述，并指出了網格發展的一些技術難點和方向。T-O Hagbo等[13]論述了結構網格和非結構網格對高大建筑風環境模型的影響，其結論表明，結構網格與非結構網格計算的結果大致是相同的，對于關注整體流動情況的模擬來說，選擇結構網格或者非結構網格都是可行的。對于使用OpenFOAM進行建筑風環境的仿真國內還較少，王碩等[14]使用OpenFOAM對正弦形沙丘表面流場特性進行了研究，也使用了OpenFOAM自帶的網格劃分工具，但是只研究了網格數目對流場的影響。Kastner等[15]用OpenFOAM在虛擬風洞中完成了建筑群的仿真，但是建筑都是很規則的正方體。Li Jing等[16]完成了三個建筑風環境的仿真，其中一個算例是使用OpenFOAM完成的，目標是完成一些驗證工作。Mohan等[17]在完成建筑風環境的計算后，主要關注后處理的顯示方式。

(a)原始建筑模型 (b)非貼體建筑表面網格 (c)貼體建筑表面網格圖1 建筑模型與生成的建筑表面網格

上述相關工作有的論述并研究了結構網格和非結構網格對計算結果的影響，有的研究了不同網格數量對計算結果的影響，有的關注計算完成后的后處理。本文則借助OpenFOAM的自動網格生成工具及求解器，進行網格生成和模擬計算，主要論述不同網格量和不同的網格類型對建筑風環境計算的影響。本文的網格類型并非指結構網格和非結構網格，而是貼體網格和非貼體網格，有的地方也稱為適體網格。

2 建筑的貼體和非貼體網格

在進行案例分析之前先對建筑模型的表面網格進行相關說明，以便后面結果的分析。

2.1 實際建筑模型和計算使用的建筑表面網格模型

假設有一個實際建筑，該建筑整體呈一個圓柱形，模型是STL格式，由諸多小三角形構成。如圖 1(a)所示。基于圖1(a)的建筑模型，使用OpenFOAM 生成的非貼體建筑表面網格模型如圖1(b)所示(建筑表面尺寸2m為例)。基于圖1(a)建筑模型，使用OpenFOAM 生成的貼體建筑表面網格模型如圖1(c)所示。

原始建筑模型與非貼體及貼體網格模型外形的對比如圖2所示，為了便于觀察，僅取一個與Z方向垂直的截面作為示例，圖2(a)是原始模型的截面圖，為了便于區分，圖2(b)和圖2(c)中的陰影背景是原始建筑模型。從圖中可以看出非貼體的建筑表面網格在墻面處存在鋸齒現象，與實際建筑存在差異，貼體網格模型與實際建筑的外輪廓基本一致，因為在貼體的作用下，建筑表面網格附近的節點與建筑表面相貼合。

建筑表面網格的形狀與流體域網格的形狀息息相關，如果是非貼體的建筑表面網格，該建筑周邊的部分流體域網格如圖3(a)所示。貼體的建筑表面網格，該建筑周邊的部分流體域網格如圖3(b)所示。

(a)原始建筑模型 (b)非貼體建筑表面網格 (c)貼體建筑表面網格圖2 建筑原始模型與非貼體及貼體網格模型外形的對比

(a)非貼體建筑周邊網格

(b)貼體建筑周邊網格圖3 建筑周邊流體域網格

從圖中可以看到非貼體網格周邊的計算域網格也是呈鋸齒狀，生成貼體網格的建筑周邊，同時支持邊界層網格的生成，能夠很好地描述建筑的實際外輪廓。

2 計算模型

2.1 模型介紹

本文的計算案例使用的模型由若干個建筑組成，研究的目標建筑為中間的圓柱形建筑。綠色部分為綠化帶，藍色為水池，灰色為停車場，深橘色為道路。如圖4(a)所示，用于數據后處理統計的考察區域如圖4(b)的紅線區域所示，下文中的風速統計就是在紅線區域內統計1.5m高度處人行區的風速面積占比，非人行區不包含在統計范圍內。

(a)算例模型

(b)考察區域圖4 計算模型和風速考察區域

2.2 網格尺寸和數量

為了分析對比貼體網格與非貼體網格的計算結果，分別取建筑表面網格的尺寸別3m，2m，1m。三種尺寸生成的非貼體網格定義為A1，A2，A3，三種尺寸生成的貼體網格定義為B1，B2，B3，生成的網格數量見表1所示。

表1 不同網格類型算例的網格數量

3 計算結果分析

3.1 計算設置

本文計算案例收斂判斷即計算停止的精度標準為10-4。計算采用的湍流模型為k-e模型，工況為冬季工況，風速方向為北風，風速大小為4.7m/s，入口邊界條件為大氣入口邊界。整個計算域根據綠建相關要求在研究區域的前后左右區域各延伸一定距離，滿足阻塞比的要求。

3.2 風速云圖

計算生成的風速云圖如圖5所示，以A3和B3算例為例。風速云圖的顯示范圍從0m/s～5m/s，在研究的圓柱形建筑的背風面(下方區域)可以看出，非貼體網格和貼體網格計算的結果有明顯的差異。更具體的分析參見下文中的數據分析。

(a)風速云圖A3

(b)風速云圖B3圖5 風速云

3.3 風速達標情況

綠建風環境評價時通常考察的是人行區5m/s的風速情況，為了對比研究網格對計算結果的影響，將六個算例的目標建筑附近的風速達標情況進行對比，如圖6所示。

(a)A1 達標情況 (b)A2 達標情況 (c)A3 達標情況

(d)B1 達標情況 (e)B2 達標情況 (f)B3 達標情況圖6 六個算例的達標情況

通過5m/s的風速達標圖可以看出，貼體網格能夠充分體現由建筑外形導致的高風速區域，主要由于貼體網格的表面網格順滑，連續性較好，同時生成邊界層網格，能較好地計算并考慮靠近建筑墻壁面的流動情況。而非貼體網格由于建筑表面網格呈鋸齒形，并且沒有邊界層，因而不能很好地體現建筑近壁面的流動情況，因此在高風速區的識別能力上存在一定的誤差，從圖中也能看出5m/s的紅色區域比貼體網格的面積要少，并且隨著網格分辨率的增加(建筑表面網格尺寸的減小)，建筑附件的流動越來越靠近建筑表面，并且高風速占比(紅色區域)越來越多。

對紅線范圍內的人行區進行風速面積占比統計，數據統計結果如表2所示。

表2 結果統計

非貼體網格的計算結果隨表面網格尺寸的變化規律不明顯，三個不同的表面網格尺寸計算結果相接近，處于任意風速帶的風速面積相差不大。而貼體網格的計算結果隨尺寸變化比較規律，建筑表面尺寸越小，0～1m/s，3～4m/s的風速面積比例隨著建筑表面網格尺寸的減小而減小。1～2m/s，2～3m/s，5～7m/s的風速面積比例隨著建筑表面網格尺寸的減小而增加。

通過絕對值觀察有時并不明顯，因為人行區的整體面積大小會削弱高風速區的比例，下面僅針對非貼體和貼體網格的1m尺寸的結果進行相對比例的分析， 對比如圖7 所示。

圖7 非貼體1m與貼體1m的風速面積統計對比

在低風速0～1m/s范圍內面積統計值相差9%，3～4m/s相差15%，4～5m/s相差1%，5m/s以上相差49%，可見在高風速區域的計算結果相差較大。

為了便于分析低風速的統計結果，根據表2的數據，將風速分布情況根據5m/s和2m/s為分界點進行面積占比統計，如表3所示。

表3 不同算例達標面積百分比

0～5m/s的達標面積百分比隨著計算網格精度的提高(建筑表面網格越來越小)而逐漸降低，表明計算統計得到的高風速區域面積越來越多，同時也能看出貼體網格計算的高風速面積要高于非貼體網格。貼體網格的2m/s面積百分比整體要比非貼體的高，表明貼體網格在高風速的統計和低風速的統計上都比非貼體的高。同時也能得出，非貼體網格的所統計的面積占比最多的是中間風速。

造成這一現象的原因，主要是因為非貼體網格無法非常準確地計算靠近建筑附近的流動情況，如果使用貼體網格，并且生成建筑表面的邊界層，靠近壁面附近的流場計算才更合理。

4 結論與改進

通過上面的分析可以看出，在綠建室外風環境仿真的時候，建議使用貼體網格，可以比較準確地計算出靠近建筑周邊的流動情況，如果使用非貼體網格，建筑周邊的風速整體偏低。如果使用貼體網格計算出來的人行區風速較高，設計人員可以在高風速地區的上風速地帶設計一些比較高大的綠化帶，來降低風速。

本文從應用層面探討不同網格尺寸和網格類型對建筑風環境計算統計結果的影響，僅從數值模擬的計算結果出發，得出貼體網格的計算結果更加符合真實情況。同時，本文進行模擬計算時也沒有深入研究不同的壁面邊界層數，建筑表面的Yplus數值是否在模型適用范圍等等因素，因此本文探討還存在很多不足，后續將在這幾個方面繼續深入研究，進一步改進室外風環境模擬計算統計結果的準確性。