高層建筑風(fēng)場(chǎng)數(shù)值模擬研究

蔣光彪，陽　杰，鐘　海，殷水平，李其勇（中南林業(yè)科技大學(xué)，湖南 長(zhǎng)沙 410004）

高層建筑風(fēng)場(chǎng)數(shù)值模擬研究

蔣光彪，陽杰，鐘海，殷水平，李其勇
（中南林業(yè)科技大學(xué)，湖南 長(zhǎng)沙 410004）

本文以FLUENT軟件和高性能集群作為數(shù)值模擬平臺(tái)，通過改變高層建筑物高度進(jìn)行了并行數(shù)值模擬。并對(duì)并行數(shù)值模擬結(jié)果和集群并行計(jì)算效率進(jìn)行了分析，分析結(jié)果表明：隨著建筑物高度的增加，建筑物周圍最大風(fēng)速和最大風(fēng)速比增大，建筑物對(duì)其周圍空氣流動(dòng)的影響增強(qiáng)。在并行計(jì)算中，當(dāng)CPU個(gè)數(shù)相同時(shí)，隨著網(wǎng)格數(shù)量的增加，并行效率呈增加趨勢(shì)但增大的幅度越來越??；當(dāng)網(wǎng)格數(shù)相同時(shí)，隨著CPU個(gè)數(shù)增加，并行計(jì)算效率呈減小趨勢(shì)。

FLUENT；高層建筑；數(shù)值模擬；并行計(jì)算；風(fēng)場(chǎng)

高層和超高層建筑的大量涌現(xiàn)引起了的局部大氣邊界層的改變，會(huì)對(duì)低層氣流和湍流產(chǎn)生顯著的影響，特殊的城市下墊面，具有較大的粗糙度，可以引起更強(qiáng)的機(jī)械湍流，改變局部地的風(fēng)場(chǎng)結(jié)構(gòu)，對(duì)日常生活造成影響［1］。風(fēng)環(huán)境是空氣氣流在建筑內(nèi)外空間的流動(dòng)狀況及其對(duì)建筑物使用的影響，因此，風(fēng)環(huán)境本身形成了一個(gè)系統(tǒng)。若在規(guī)劃和設(shè)計(jì)中忽略了風(fēng)環(huán)境問題，在一般的氣候條件下，它們將直接影響著城市環(huán)境的小氣候和環(huán)境給予人們的舒適感；一旦遇到大風(fēng)，這種影響往往會(huì)形成所謂“城市風(fēng)害”［2］，影響到建筑物本身的某些使用功能和行人、行車安全等方面的問題；特別對(duì)于高層建筑的背風(fēng)側(cè)會(huì)形成較大的回流區(qū)域，如果在設(shè)計(jì)之初沒能充分考慮其風(fēng)環(huán)境，而使污染物或有害排放物能夠進(jìn)入這一回來區(qū)域，則會(huì)造成局部環(huán)境的空氣品質(zhì)惡化，因?yàn)檫@一回流區(qū)域內(nèi)的污染物和有害物容易積聚，很難被稀釋和擴(kuò)散［3-5］。因此，掌握高層建筑物的風(fēng)環(huán)境特征，構(gòu)建有利于通風(fēng)和污染物消散，避免人行高度出現(xiàn)過高風(fēng)速和過急渦流的風(fēng)環(huán)境布局，對(duì)城市環(huán)境和安全具有重要意義。目前建筑風(fēng)場(chǎng)的預(yù)測(cè)方法主要有現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)、風(fēng)洞試驗(yàn)和數(shù)值模擬，其中數(shù)值模擬已成為風(fēng)環(huán)境預(yù)測(cè)的最有效手段［6，7］。本文采用CFD數(shù)值模擬的方法，利用標(biāo)準(zhǔn)k-ε湍流模型，模擬單體建筑在不同情況下的的繞流風(fēng)場(chǎng)，研究其建筑物的風(fēng)場(chǎng)風(fēng)速的分布特征。

1　問題的描述及數(shù)值模擬方法

1.1問題的提出

本文設(shè)計(jì)了如圖1簡(jiǎn)化的方形高層建筑類繞流湍流場(chǎng)數(shù)值模擬實(shí)例，通過改變方形建筑物的高度進(jìn)行k-ε湍流模型模擬，研究了計(jì)算流域內(nèi)的速度場(chǎng)和壓力場(chǎng)的分布情況，將不同工況的數(shù)值模擬求解結(jié)果進(jìn)行對(duì)比分析。

本文在研究建筑物高度對(duì)建筑物周圍風(fēng)環(huán)境的影響時(shí)，風(fēng)速取2.5m/s，選擇的計(jì)算區(qū)域?yàn)椋洪L(zhǎng)度×寬度×高度=180m×90m×150m，并且為了讓建筑背后流場(chǎng)能充分發(fā)展，計(jì)算模型中建筑物左側(cè)距離入口邊界為60m占總計(jì)算流域長(zhǎng)度的三分之一，距離出口邊界為120m占總計(jì)算流域的三分之二。

1.2數(shù)值方法

1.2.1網(wǎng)格劃分

利用FLUENT軟件包中的GAMBIT模塊生成算例風(fēng)場(chǎng)網(wǎng)格［8-10］。在GAMBIT軟件中建立高層建筑物的幾何模型，然后在已生成的模型中采用非結(jié)構(gòu)的四面體網(wǎng)格劃分了均勻網(wǎng)格，劃分網(wǎng)格量大約為130萬個(gè)。如圖2所示。

圖1　流場(chǎng)幾何模型

圖2　劃分的網(wǎng)格

1.2.2邊界條件

對(duì)入流處（inlet）的邊界條件設(shè)定，采用FLUENT中的速度入口邊界條件（velocity inlet），該邊界條件適用于不可壓縮流動(dòng)；流體在出口處認(rèn)為是充分發(fā)展的，所以出口邊界定義為自由出口（outflow）。outflow邊界條件用于出流邊界上的壓力或速度都未知的情況，適用于出口處流動(dòng)時(shí)完全發(fā)展的情況；地面和建筑物表面都是實(shí)際存在而又固定不動(dòng)的邊界，在此都采用無滑移的壁面條件（wall）；流域兩側(cè)及頂部定義為對(duì)稱邊界條件（symmetry）。

1.2.3控制方程

計(jì)算風(fēng)工程中，鈍體繞流問題的控制方程是粘性不可壓Navier-Stokes方程，考慮到鈍體流場(chǎng)的特性及計(jì)算的收斂性和計(jì)算效率，本文選用“標(biāo)準(zhǔn)” k-ε二方程模型作為湍流模型。

其中，Gk是由于平均速度梯度引起的湍流動(dòng)能k的產(chǎn)生項(xiàng)：Gb是由于浮力引起的湍流動(dòng)能k的產(chǎn)生項(xiàng)：。

2　單體建筑高度對(duì)周圍風(fēng)環(huán)境影響的模擬分析

2.1建筑模型工況設(shè)置

本節(jié)研究了單體建筑的高度變化對(duì)高層建筑物室外風(fēng)場(chǎng)的影響，在本例的數(shù)值模擬計(jì)算中，建筑物模型的幾何尺寸高度分別取30m、60m、90m 和120m的四種情況，如表1所示。

表1　建筑模型工況設(shè)置

2.2模擬結(jié)果與對(duì)比分析

圖3是高度不同（表1工況）的建筑物建筑中心平面內(nèi)的風(fēng)速等值線圖。從圖中可以看到，隨著建筑高度增加，建筑背后風(fēng)影區(qū)高度增加。高度為30m的建筑，在計(jì)算區(qū)域內(nèi)，最大風(fēng)速約為3.50m/s，最大風(fēng)速比為1.38；高度為60m的建筑，在計(jì)算區(qū)域內(nèi)的最大風(fēng)速約為4.0m/s，最大風(fēng)速比為1.60；高度為90m的建筑，在計(jì)算區(qū)域內(nèi)的最大風(fēng)速為4.27m/s，最大風(fēng)速比為1.71。高度為120m的建筑，在計(jì)算區(qū)域內(nèi)，最大風(fēng)速約為4.66m/s，最大風(fēng)速比為 1.86，可見隨著建筑物高度的增加，建筑周圍的最大風(fēng)速、最大風(fēng)速比在增大，所以當(dāng)建筑的高度增加時(shí)，建筑物對(duì)周圍空氣流動(dòng)的影響增強(qiáng)。

圖3　Y=0m豎直剖面風(fēng)速等值線圖

圖4是高度不同（表1工況）的建筑物的豎直平面流線圖，從圖中可以看到，隨著建筑高度的增加，建筑背后的漩渦隨建筑物的高度的增加而升高，并且漩渦越來越不明顯。

圖4　Y=0m豎直剖面風(fēng)速流線圖

3　集群并行計(jì)算效率分析

3.1不同網(wǎng)格數(shù)下的并行計(jì)算效率比較分析

為了比較不同的網(wǎng)格數(shù)量對(duì)集群計(jì)算效率的影響，在CPU核數(shù)相同的情況下，網(wǎng)格數(shù)量方面選取10萬個(gè)、50萬個(gè)、100萬個(gè)、150萬個(gè)和200萬個(gè)5種工況，通過PBS作業(yè)提交系統(tǒng)，向集群提交并行計(jì)算作業(yè)。分別得到了這5組工況下在集群上計(jì)算所需要的總時(shí)間。通過計(jì)算得到了它們各自的并行效率。具體的計(jì)算結(jié)果如表2所示。

表2　CPU個(gè)數(shù)為12時(shí)集群并行計(jì)算工況

圖5是計(jì)算執(zhí)行時(shí)間與并行效率和網(wǎng)格數(shù)量之間關(guān)系的曲線圖，從圖中可以看出在CPU核數(shù)相同的條件下，任務(wù)的計(jì)算執(zhí)行時(shí)間隨任務(wù)的網(wǎng)

圖5　計(jì)算時(shí)間和并行效率與網(wǎng)格數(shù)量關(guān)系圖

格數(shù)量的增多而變長(zhǎng)；集群效率隨任務(wù)網(wǎng)格數(shù)量的增多而變大，但隨網(wǎng)格數(shù)量的不斷增大，集群效率增大的趨勢(shì)越來越緩。

3.2不同計(jì)算節(jié)點(diǎn)數(shù)下的并行計(jì)算效率比較分析

為了比較CPU個(gè)數(shù)對(duì)計(jì)算效率影響的分析，設(shè)定工況B和工況C中的網(wǎng)格數(shù)分別都為80萬個(gè)和100萬個(gè)，8組不同的CPU個(gè)數(shù)工況；通過向集群提交作業(yè)得到了它們并行計(jì)算的結(jié)果，具體計(jì)算結(jié)果分別如表3和表4所示。

表3　網(wǎng)格數(shù)為80萬個(gè)時(shí)集群并行計(jì)算工況

表4　網(wǎng)格數(shù)為100萬時(shí)集群并行計(jì)算工況

結(jié)合表3和表4的數(shù)值結(jié)果，將工況B和工況C中計(jì)算執(zhí)行時(shí)間和CPU核數(shù)在同一坐標(biāo)軸中繪圖描點(diǎn)得到了計(jì)算運(yùn)行時(shí)間和CPU核數(shù)量之間關(guān)系的曲線圖，如圖6所示。從圖中可以看出任務(wù)在80萬網(wǎng)格和100萬網(wǎng)格時(shí)，它們運(yùn)行計(jì)算時(shí)間隨CPU核數(shù)的增多具有相同的變化趨勢(shì)。很明顯的看出當(dāng)網(wǎng)格數(shù)量不變的時(shí)候，任務(wù)的計(jì)算執(zhí)行時(shí)間隨CPU核數(shù)的增多先是快速減小而后有緩慢增多的趨勢(shì)。所以說一個(gè)任務(wù)不是所分配的CPU核數(shù)越多，它的計(jì)算執(zhí)行時(shí)間就越短。

圖6　執(zhí)行時(shí)間和CPU個(gè)數(shù)之間關(guān)系圖

圖7　并行效率和CPU個(gè)數(shù)之間的關(guān)系圖

結(jié)合表3和表4的數(shù)值結(jié)果，將工況B和工況C中的并行效率和CPU核數(shù)在同一坐標(biāo)軸中繪圖描點(diǎn)得到了并行效率和CPU核數(shù)量之間關(guān)系的曲線圖，如圖7所示。從圖中可以看出任務(wù)在80萬網(wǎng)格和100萬網(wǎng)格時(shí)，它們的并行效率隨CPU個(gè)數(shù)的增多而下降，并且具有相同程度的下降趨勢(shì)。

4　結(jié)論

本文利用FLUENT軟件和高性能集群對(duì)高層建筑風(fēng)場(chǎng)大規(guī)模并行數(shù)值模擬，并對(duì)計(jì)算結(jié)果的分析，總結(jié)如下：

（1）在相同風(fēng)速下，建筑的長(zhǎng)度和寬度相同時(shí)，隨著建筑高度的增加，建筑對(duì)其周圍氣流的影響增強(qiáng)，建筑周圍最大風(fēng)速和最大風(fēng)速比增大，建筑背后風(fēng)影區(qū)面積增大。

（2）增加網(wǎng)格數(shù)量會(huì)增加計(jì)算時(shí)間，但是可以提高集群計(jì)算效率。

（3）隨著結(jié)點(diǎn)數(shù)目CPU的增加，總執(zhí)行時(shí)間先是逐漸快速減少，然后慢慢增加；而并行效率呈下降趨勢(shì)。

［1］胡曉峰，周孝清，卜增文等.基于室外風(fēng)環(huán)境CFD模擬的建筑規(guī)劃設(shè)計(jì)［J］.工程建設(shè)與設(shè)計(jì)，2007（04）：14-18.

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（責(zé)任編輯：張洪瑋）

Numerical Simulation on the High-rise Building Wind Field Based on FLUENT and Cluster

JIANG Guang-biao，YANG Jie，ZHONG Hai，YIN Shui-pin，LI Qi-yong
（Central South University of Forestry and Technology，Changsha Hunan 410004）

In this paper，the actual high building is simulated based on FLUENT software and High Performance Cluster platform，and parallel numerical simulations were done by changing the height of high-rise buildings.The parallel numerical simulation results and efficiency of parallel computing clusters were analyzed，which we can get the following conclusions：With the increase of building height，the speed of wind and the speed of wind ratio increased at maximum，and effect of air flow become stronger around the building.When the number of CPU is the same，with the increase in the number grid，efficiency show an increasing tendency，but the increase of the magnitude become smaller；When the grid number is the same，with the increase of CPU number the efficiency of parallel computing show decreasing tendency in parallel computing.

FLUENT；high-rise building；High Performance Cluster；numerical simulation；parallel computing

TU974

A

10.3969/j.issn.1672-7304.2015.03.018

1672-7304（2015）03-0045-04

蔣光彪（1975-），男，湖南永州人，副教授，博士，研究方向：計(jì)算流體力學(xué)。

湖南省自科基金項(xiàng)目（14JJ2013），中南林業(yè)科技大學(xué)人才引進(jìn)項(xiàng)目（104-0096）。