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。

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:

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

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。

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

南——风

东——风

西方——风

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。

最近更新:2020年10月8日