基于湍流模型的建筑复杂外流场CFD仿真分析

安世亚太 2021年10月12日浏览：2261 评论：5

曾社铨

仿真应用工程师

对于建筑行业，在复杂的情况下，无法直接进行实体试验及测量，而缩尺的实验既昂贵也同样有误差的问题，因此CFD常用来作为建筑设计在做通风分析、建筑物外流场分析的工具。通过对建筑外流场CFD分析，能得到建筑物 表面的风 压、 建物对室外行人的影响 以及 为室外设备的位置设置 等提供指导和建议。

安世亚太自主开发的CAE软件PERA SIM具有非常优秀的CFD仿真能力。针对复杂流体域，PERA SIM提供了多种湍流模型进行复杂流场的捕捉，提供了 全面的边界条件应付各种复杂工况，并提供鲁棒性强且高精度的流体求解器。

该案例应用PERA SIM模拟建筑群风环境，评估高层建筑风载及其分布规律，详细介绍PERA SIM的建筑外流场CFD仿真流程。

一、网格导入

PERA SIM的网格导入接口可以导入多种网格格式，本案例导入的是msh格式的网格文件。

PERA SIM Fluid网格导入接口

导入的网格文件是某小区建筑，如图所示。为了精准计算建筑物表面的压力，建筑物表面和地面添加了5层的边界层网格。

PERA SIM显示建筑物外流场网格模型

二、材料赋予

建筑外流场的流体材料是空气，PERA SIM提供材料创建界面，输入空气的密度和粘度。

PERA SIM材料创建

将创建好的空气材料，赋予计算域。

材料赋予计算域

三、分析类型

PERA SIM对于CFD分析，提供了稳态分析和瞬态分析，对于本案例的建筑外流场，采用稳态分析即可。参考压力设置为一个大气压。由于建筑外流场属于强迫流动，不需要考虑重力的影响。

PERA SIM分析类型

四、湍流模型

PERA SIM提供了多种湍流模型供选择，如层流模型、S-A模型、k-epsilon模型、k-omega模型、Transition-SST模型等。

PERA SIM提供的湍流模型

对于建筑外流场，由于湍流强度和旋流不算太强，选取Standard k-epsilon湍流模型是合适的。

选取Standard k-epsilon湍流模型

五、边界条件

入口边界类型设置为速度入口，法向速度为10m/s。

入口边界类型

出口边界类型设置为压力出口，出口静压设置为0 Pa，回流方法为总压，回流方向为垂直于边界。

出口边界类型

对于剩下的边界，类型设置壁面，剪切条件类型为无滑移壁面，运动类型为静止。

壁面边界类型

六、分析任务设置

分析任务主要是设置求解方法、初始化、残差控制、求解器和输出控制。

求解方法选择SIMPLE算法。对于变量的空间离散格式，梯度采用高斯线性，压力采用线性，动量、湍动能和湍流耗散率采用一阶迎风。

求解方法设置

提供标准初始化的方法，按照默认值即可。

初始化设置

残差控制，即设置收敛标准，按照默认的每个变量设置为1e-5。

残差控制设置

求解器设置，主要是设置松弛因子。

求解器设置

输出控制，设置为稳态计算，迭代次数设置为200。输出控制下的迭代间隔设置为20，即每迭代20次，输出一次结果文件。

输出控制设置

到此，建筑外流场的模型已经设置完毕，PERA SIM软件树目录如下图所示。

PERA SIM仿真建筑外流场设置

七、分析求解

在作业节点，鼠标右键选择创建作业，保留默认设置，点击确定，形成作业-1的分析。点击右侧快速按钮打钩检查设置。无错误后，点击快速按钮计算器进行求解。

分析作业设置

八、结果显示

PERA SIM提供丰富的结果显示功能，如表面云图、剖面云图、流动迹线图等。如下图所示，需要选择显示的变量，然后选择结果文件，这里我们选择200意味显示迭代200次的结果文件。

显示变量和结果文件选取设置

建筑表面的压力分布如下图。

建筑表面的压力分布

截面速度分布及流线图如下。

为了验证计算精度，因为没有测试数据，所以选择了和商业软件Fluent仿真结果做对比。同一截面压力分布对比如下。

基于湍流模型的建筑复杂外流场CFD仿真分析的图24

同一截面速度分布对比如下。

表：PERA SIM和fluent结果对比

	PERA SIM	ANSYS Fluent	误差（%）
求解时间（min）	17	19	/
最大压力（Pa）	89.02	91.58	-2.80
最小压力（Pa）	-134.54	-134.08	0.34
最大速度（m/s）	16.33	16.12	0.68