案例分享 | scSTREAM结合风洞测试使风工程的应用更多样化

在过去，模拟 复杂的气流围绕建筑物 及其 周围环境， 需要通过长时间的 风洞 实验，同时还需要 大型设备 和 技术 专家。 而 现在，许多实验测试正在被计算流体力学 (CFD)模拟所取代。 结合这两种方法并发挥各自优势在今天的 工程 应用 中 普遍使用的 。 来自 WindStyle 公司 的 松山先生 多年来一直使用 scSTREAM， 他希望能探索 CFD更多的可能性 。 他解释了如何 有前瞻性的 使用 scSTREAM 去诠释风场 可以改变设计过程和建筑管理。

  

松山先生，WindStyle公司总裁兼首席执行官

使用scSTREAM模拟建筑物周围的风

WindStyle公司是一家由风工程咨询专家组成的公司。总裁兼首席执行官松山先生最初是在日本大学工业技术学院建筑工程系的EizoMaruta教授的指导下学习的。松山先生研究了使用风洞测试的风模拟。当他在日本最大的建筑工程和建筑公司之一的Kumagai Gumi Co., Ltd（熊谷组）工作时，他第一次了解到了scSTREAM。

松山先生于1998年加入Kumagai Gumi担任风工程师。“scSTREAM能够提供公司技术研究，但它没有得到充分的利用，“松岛先生回忆道。

“我感到一股灵感的火花”，我想scSTREAM能做更多有趣的事情。

我开始使用该软件，并意识到硬件能力不够好，无法得到实际的结果。“尽管硬件上存在不便，松山先生还是继续使用该软件。“回到过去，我只能用一百万个网格简单地模拟整个流场。我相信，在不久的将来，模拟的使用将比风洞测试占更主导地位。“松山先生于2003年离开Kumagai Gumi公司熊谷组创办了自己的公司，他继续在他的咨询业务中使用scSTREAM进行与风工程相关的项目。

 

松山先生的兴趣之一包括评估高层住宅和高层建筑周围的风。这项工作的要求来自商业房地产公司和总承包商，他们需要知道环境在之后是否对建筑有不利影响。松山先生接受大型房地产商和总承包商的委托，对新建建筑物时的前后进行风的变化的模拟，并总给出报告，提出了改善和变更的建议。

 

为了使用scSTREAM模拟建筑物附近的风环境，除了计划的建筑物外，还必须在模型中考虑周围影响。这些包括周围的建筑物、树木、绿色和地理特征。松山先生认为，仔细定义这些条件和参数有助于初始设置。他的团队从航空调查和谷歌地球等资源收集地理数据。周围环境的照片和他们的实地测量工作也结合起来。SketchUp用于整体模型，根据收集到的数据，将其转换为STL文件格式。采用scSTREAM前处理器生成网格，设置属性和边界条件。计算如下图1和2所示。

 

图1. 建筑规划及周边区域的三维几何数据

图2. 工作流程图

关于风环境，使用根据年间强风的发生频率来判断的“村上评价”。预测一天中最大瞬间风速超过10・15・20 m/s的天数，根据这些天数对等级1～4进行评价。为此制作模型，在STREAM®对16个方位进行模拟。因为是在建造建筑物之前和之后的两种状态下进行模型，所以分析至少达到32例。

 

 

有利于CFD软件和风洞实验的最佳组合的STREAM

“我喜欢scSTREAM的是它与其他软件的高度兼容性。灵活的输入输出功能是另一个优点。我可以选择。

当我为城市模型的一个区域导入映射数据时，一系列的输入格式。我还可以创建自己的脚本并执行分析。我们的团队创建了自己的工具来调整基于网格坐标的分析结果的可视化，使结果看起来平滑“松山先生解释。他的客户和业务伙伴不熟悉CFD模拟，他们发现更容易理解可视化分析报告。据松山先生说，优秀的定制能力的scSTREAM使我们与客户联系更为紧密。“与Cradle工程师讨论绝对有帮助。他们理解我的需求，并具体定制相应的方案。scStream不仅提供方便的定制工具，同时根据用户的要求，增加了很多便利的功能。

 

松山先生目前的方法包括联合风洞测试（图3）和CFD虚拟仿真（图4和图5）。“风洞试验已经引领了风工程领域，但它正在开始被取代通过计算机模拟。通常，这两种方法的研究和开发是分开进行的，但我们的团队合并了这两种以捕捉两者的优点，“松山先生解释道。

 

图3. 联合风洞测试

图4. 使用scSTREAM整体分析地面周围建筑表面的速度和压力分布

图5. 使用SCSTREAM局部分析地面周围建筑表面的速度和压力分布

松山先生指出，风洞试验和建筑风CFD模拟的输出分析是完全不同的。风洞试验用于特定区域的时间历史分析。由于采用相似规则以实际的100倍的速度推进时间。这意味着10分钟以上的变化可以在10秒内观察到。另一方面，CFD的结果在整个空间中以平均值进行计算。比实际慢100倍需要时间。只是在准备上花费时间的风洞实验需要2个月左右，而CFD则需要几天到一个月左右的时间才能得到一些结果。“因为作为工具的特性完全不同，所以可以在不同情况下区分使用，或者相互补充。”松山先生说。

 

松山先生也在推进风洞实验和CFD的融合。“利用STREAM®的解析数据作为风洞实验的空间补充，将解析模型数据输出到3D打印机制作建筑物试样，用于风洞实验。随着3D应用程序的导入费和材料费的降低，周边数据例如也能从Google Earth等下载的话，通过与CFD的交换可能性会进一步扩大”。

 

用于更常见、更实用的CFD模拟

松山在STREAM®分析更详细的情况下，最初就预见到并行计算的重要性。“STREAM®的并行速度很快，比汽车和机械领域还要早，所以也很期待在建筑领域的使用。但是，虽然分析规模变大，建筑领域有特有的情况，但是许可证方面与其他领域相同，这是很大的障碍。因为这个强大的工具无法在许多项目中使用，尽管它在概念上通过分析可以给出指导建议，我感到很可惜”。 为这个问题制定了一个可能的解决方案。 从2014年秋季开始，一家日本云服务提供商以每日使用率提供Cradle产品*。“我想这是第一个CFD 由日本RM开发的软件，可在按使用量付费下使用。这肯定会鼓励更多地使用CFD。”

 

说起风环境的模拟，大家都只关心大楼风带来的“风灾”，在这一点上松山先生也很期待STREAM®的可能性。“模拟成为理所当然的事情的话，基于这个结果，设计者、施工者、行政以及附近居民等可以进行有意义的对话。我想对于客户来说，在风险管理上也是有益的”。此外，松山先生还说，利用建筑物的风力发电以及采用自然换气和通风的建筑设计也变得容易了。“活用CFD，有效地吸收风的话，很多地区即使关闭空调也能增加舒适的时间段。通过捕捉风的有效性，无论是什么样的房子都能带来舒适的自然风。CFD应该可以给予所有建筑物很大的附加价值”。

 

此外，松山先生还着眼于将风工程学扩展到一般社会。正准备着让看不见的风无论是谁、无论何时、都能看见、感受、利用的“装置”。“我觉得这个‘装置’的核心是STREAM®，可以在各种各样的场合使用。让一般人切身感受到风，应该会产生新的使用方法和需求”。从STREAM®中诞生的风工程学和一般社会的新接触点，可能会大大改变对风环境的社会认识。