高层建筑大涡模拟的一般流程及典型案例

        准确无误的CAD模型是后续网格划分的基础，特别是对于比较复杂的外形，需要筒子们在绘制CAD几何模型时多操点心。以AutoCAD为例，在绘制好三维模型后，可以输入acisout命令，将三维模型输出为.sat文件，以便网格划分软件读取。值得注意的是，为了后续网格划分方便，可以将流域范围一同建入几何模型，流域的具体尺寸可依照文献或经验确定。本文以一个简单的方柱为例，下图2为几何模型。

       Ton君近日对STAR-CCM+软件的多面体网格爱不释手，但是安装好的软件似乎和360安全卫士不太兼容，几经尝试，发现后缀名为.x_t的文件可以被STAR-CCM+软件很好的读入。那么问题来了，如何把AutoCAD输出的.sat文件转化为.x_t文件呢？笨笨的Ton君想到了ANSYS Workbench中的DesignModeler软件，下图3给出了相应文件格式的转换窗口。

        关于STAR-CCM+软件的多面体网格划分，Ton君在以后的推文中详细描述。Ton君采用了基于Region的分区域划分方式，得到的网格如下图4。这里需要多说几句，很多文献中说，LES计算对于网格划分要求非常严格，不仅需要控制网格的skewness和aspect ratio，还得特别注意建筑模型近壁面的网格尺度，以控制近壁面y+<5。这个当然是正确的，然而依照Ton君的经验，若是计算资源受限，也可以不严格控制y+；很多商业软件求解器，如ANSYS Fluent，当y+太大而不足以求解粘性底层时，会默认启用壁面函数，其求解也具有一定的精度。图5给出了本文模型计算所得建筑表面y+范围。

脉动风速入口生成 & 空流域风场特性检验

        关于脉动风速入口方法，已在CFD在土木工程中的应用系列（二）——浅谈脉动风速入口生成方法一文中谈到过了，Ton君这里采用了文中的NSRFG方法用于生成入口脉动风速时程。然而，由于入口湍流的衰减，在建筑位置处，风场特性相比入口会发生一定的变化，特别是湍流强度和湍流积分尺度变化明显。这个问题Ton尚未完全解决，但是总结出了一定的经验，欢迎后台留言讨论。经过Ton君的调试，最终在空流域中，基本实现了模拟风场和目标风场的吻合，如下图6。值得一提的是，空流域风场特性检验经常被简单粗暴地忽略，但是Ton君严谨地认为，这是后续风荷载分析的重要前提，必须大致满足，否则算出来的就是一堆没用的数据。

       啊，经过前面三步的准备工作，终于到正式求解了。在求解中，有几个需要注意的要点。首先，在亚格子模型的选取方面，优先选用动态亚格子模型（Dynamic Subgrid-Scale Model）及壁面自适应局部涡粘模型（Wall-Adapting Local Eddy-viscosity Model），其中后者对近壁面流动有较好的求解准确性，且相比前者可以节省计算时间，是Ton君推荐的亚格子模型。其次，应该注意参考压力点的位置选择（在Operating Conditions操作面板的Reference pressure location栏中输入），对于高层建筑而言可以选在建筑正上方2H高度处。一般而言，参考压力点位置通常设置在计算过程中压力变化不大的区域，然而LES计算中，由于采用了人工合成的入口来流脉动，在入口到建筑之间静压场脉动变化剧烈，这是人工合成法的通病。将参考压力点位置选在建筑正上方2H高度处，可以在一定程度上消除这种非物理的静压场脉动。最后，数值方案的选择上，压力速度耦合方案采用SIMPLEC算法已足够，PISO算法求解耗时长，但是允许采用非迭代和大时间步长方案，空间离散推荐有界中心差分（Bounded Central Differencing），时间离散推荐采用二阶全隐格式（Second Order Implicit），时间步长的选择应该满足一个漩涡脱落周期内包含50个采样点（若计算资源受限可以适当放宽）。

计算结果展示

       LES计算得到的基底顺风向弯矩系数均值为0.66，试验结果为0.64；LES计算得到的基底顺风向弯矩系数根方差为0.08，试验结果为0.10；LES计算得到的基底横风向弯矩系数根方差为0.15，试验结果为0.19；LES计算得到的基底扭矩系数根方差为0.02，试验结果为0.03。由此可见，Ton君的LES计算结果达到了很好的精度。图7给出了LES计算得到的建筑2/3H高度平均速度流线图。图8给出了LES计算得到的某时刻建筑周围旋涡的分布。