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验证案例:行人风舒适性:AIJ案例E

总结

模拟成立和运行使用加快方法提供的数字系统GmbH复制日本建筑研究所所描述的设置(AIJ)的验证情况下大肠结果显示好相关风洞数据提供的相关系数在0.7和0.86之间。与传统的CFD方法相比,求解时间大大缩短,令人惊讶的是,当我们在瞬态过程中使用k-omega SST DDES湍流模型求解它们时。

介绍

随着世界各地正在建造的高层建筑数量的增加,为了舒适和安全,适当的邻近规划变得很重要。计算流体力学(CFD)是一个恰当的解决方案,以评估这些舒适和安全水平的行人风舒适度,甚至在建筑竖立之前,也有助于更快的设计迭代。行人水平(小气候)条件是现代城市规划和建筑设计中首先要考虑的小气候问题之一。

使用CFD模拟的风分析结果现在被视为定量和定性数据的可靠来源,它们经常被用于重要的设计决策。然而,要对这些决策有充分的信心,就必须对CFD结果进行广泛的验证和验证。为此,我们将通过日本建筑研究所(AIJ)提供的一些非常好的记录案例的实验结果来验证。

在simscale中简化LBM仿真的动画
动画1:使用SimScale进行LBM分析进行建筑周围风的CFD模拟。

日本建筑研究所(AIJ)行人风舒适实验

日本建筑学会(AIJ)是一个日本的专业组织的建筑师,建筑设计师和工程师。它成立于1886年,至今已聚集了38,000多名会员。它出版了一些期刊,建筑设计和建造的技术标准,以及研究委员会的研究。

风分析测试用例验证是取自“指南为实际应用CFD的行人风环境建筑“\(^ 3 \),2008年由AIJ出版,制定标准之间cross-comparison CFD的结果预测,风洞测试,和实地测量,并有助于验证行人风舒适度评估的CFD代码的准确性。

AIJ案例E:

城市地区的风分析

正在验证的案例是案例E,这是一个复杂建筑的简化几何。这里处理的城市区域模型是日本新泻市的一个实际的城市街区,低层住宅紧密地挤在一起,目标是60米高的高层建筑。用该模型在幂律指数为0.25的湍流边界层中进行了1/250尺度的风洞实验。

在Case E中给出的许多场景中,来自北方、东部、南部和西部的风的影响被用来验证SimScale的格子Boltzmann求解器。

几何和方法论

下图展示了AIJ Case E的几何图形,突出显示了主要建筑:

Aij案例模型表示
图1:AIJ Case-E CAD模型,突出显示主要建筑。

原始的CAD模型作为.DXF文件从AIJ网站并将其转换为STL文件。然后这个STL文件被直接导入到SimScale中并用于模拟。

仿真设置

对于这个模拟,我们使用了SimScale的LBM求解器,这是一种不同于传统有限体积方法的方法。由Numeric Systems GmbH提供的求解器与传统方法相比有许多优点,但最重要的是几何鲁棒性和求解速度。由于求解器运行在GPU架构上,并且伸缩性非常好,我们可以在瞬态中求解非常大的网格,而传统求解器在稳态下求解的时间是它的一小部分。

模拟设置的总结如下:

  • 加快解决
  • k -欧米伽SST DDES (k -欧米伽SST壁模型的远场LES)
  • 在CFD模拟中,模型比例为1:2
  • 从AIJ(^3\)提供的电子表格中创建速度和强度剖面,并使用SimScale中的表格输入特性应用于入口边界。
  • 在地面上施加无粗糙度的防滑墙
  • 另一种边界条件是滑动壁
  • 每个方向都有800米,垂直方向有250米
  • 行人高度为0.5m,地面高度为0.125 m。
  • 总的网状细胞数在1亿个细胞以下
速度和湍流动能强度作为边界条件
图2:速度和湍流强度分布图\(^3\)。

在仿真中,网格自动优化,以捕捉几何细节,避免大量的单元在不必要的区域。

simscale后处理器中的笛卡尔网格可视化
图3:用于case E模拟的笛卡尔网格。

正如前面提到的,我们使用的湍流模型称为K-omega SST DDES,它使用了在远场高度重视的LES湍流模型,但使用了K-omega SST模型同样重视的壁面模型,该模型已经在航空航天工业中得到了证明。两种模式之间的转换发生在边界层的对数律区域。这意味着我们可以通过使用LES来改善湍流预测,但也可以通过添加一个鲁棒的壁面模型来降低其固有成本,从而减少壁面的网格要求。

CFD分析结果

这里显示的结果是过去300秒模拟时间的时间平均值,然后它们被15.9米的入口值归一化,并与AIJ在数据表中报告的结果相比较。上面的图表显示了4种不同的图像。第一个(左上)显示了图中点的位置和它们对应的数字,第二个(中上)显示了相同高度下速度叠加的相同结果。第三个图(右上)显示了结果的相关性,其中,LBM模拟的CFD结果被绘制在y轴上,而实验结果被绘制在x轴上,一个完美的图应该是一条梯度为1的直线。最后,最后一幅图,考虑到主图是沿着底部的,这显示了两组数据(实验和CFD)与点数的关系,显示了结果对比的准确程度和偏离的地方。

每个主要方向(北风、南风、东风和西风)的结果都被绘制出来。

北,风

北风的aij测量数据与simscale结果的比较
图4:北风条件下实验结果与SimScale CFD结果的相对速度比较。

南——风

南风aij测量图形数据与simscale结果的比较
图5:南风实验结果与SimScale CFD结果的相对速度比较。

东——风

东风的aij测量数据与simscale结果的比较
图6:东风条件下实验结果与SimScale CFD结果的相对速度比较。

西方——风

西风aij测量数据与simscale结果的比较
图7西风条件下实验结果与SimScale CFD结果的相对速度比较

首先,看看相关图(右上),你可以看到“皮尔逊系数r”显示了每个方向的相关性,它们的范围从0.7(北方)到0.86(西风)。此外,可以直接比较底部的图表,其中的结果看起来非常相似,并显示正确的趋势、变化和值。

用晶格玻尔兹曼方法的优点(Pacefish®)相比更传统的方法如有限体积方法由OpenFOAM®是它解决了快得多,由于使用GPU的和更加可伸缩、和准确性由于使用更准确的湍流模型,在瞬态仿真需要解决。解决时间可以通过订单天数减少到小时,减少等待时间和成本。

结论

本文介绍了AIJ Case E验证研究的背景、设置和结果,其中LBM求解器显示出与风洞结果良好的相关性。相关质量是用皮尔逊系数给出的,系数范围在0.7到0.85之间。将平均结果的所有趋势和值与相应的实验结果进行比较,我们可以说,不仅相关性良好,而且趋势看起来也具有可比性,在这一点上我们可以得出关于行人舒适度的良好结论。

与有限体积法相比,求解器的速度在10小时内就得到了明显的解决,而在openFOAM®中,在稳定状态下显著较小的网格需要2-3天。这将允许在更短的时间内更快地解决问题,具有更高的准确性,这是我们在同时解决多个方向时所需要的,并设置它将如何在行人风舒适度分析类型中扩展的期望。

参考文献

最近更新:2020年10月8日

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