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验证案例:带阳台的建筑物的平均表面压力

此验证案例属于使用Pacefish®的流体动态,由数字系统创造GmbH \(^ 3 \)开发。该测试案例的目的是使用Lattice Boltzmann Model验证带阳台的建筑物上的以下参数:

  • 建筑物外观上的平均表面压力分布。
  • 速度比K,在平均行人高度的阳台上。
瞬态气流速度建立时间步长后处理GIF
动画1:跨越域的瞬态气流速度的可视化。

T. Stathopoulos和X. Zhu \(^2\)在一个立面有阳台的高层建筑1:400比例模型上进行了一系列实验,使用不同风向下立面上的平均表面压力作为感兴趣的参数。测量是在Concordia大学建筑研究中心的大气边界层开路风洞中进行的,该风洞的测试段长度为12.2 \(m\),截面为1.8 × 1.8 \(m^2\)。

风隧道结果用X. Zheng A,H.Montazeri和B. oblen的纸上的ANSYS CFD软件重新创建了“带有阳台的建筑物的CFD模拟的风流和平均表面:Rans和Les的比较”(^ 1 \)展示CFD溶剂在匹配风装的实验值时的能力。

几何和验证方法

带有阳台的建筑模型

用于案件的几何图形如下:

按比例缩小的建筑尺寸
图1:带有阳台的建筑物的素描,1:400缩放。

这是一个1:400比例的真实高层建筑模型,有30层阳台。

工具类型

用于该验证的求解器是Pacefish®的晶格Boltzmann,使用GPU进行仿真,这是一种快速的型号的不可压缩分析的快速方法。

仿真设置

湍流模型

对于这个验证案例,Pacefish®湍流模型选择的是改进的延迟分离涡流模拟模型(IDDES)。这是一种混合的LES- urans模型,它的优势是在网格网格足够精细的区域的大涡模拟(LES)和存在固体边界的RANS模型之间切换,以很好地解决边界层,实现两个世界之间的最佳。

边界条件

速度入口

  • 速度输入

在空隧道转台中心(即没有建筑模型的情况下)测量近流平均速度和纵向湍流强度分布,从而表示所谓的入射分布。概要文件(如图1所示)复制一个开放国家地形暴露与空气动力学粗糙度长度0.0001米(规模模型,对应于0.04在满刻度),参考风速\ (U_ {ref} \)梯度近似14米/秒的高度(Hg 1⁄4 0.625,对应于250在满刻度)。
为了匹配来自纸张的实验和CFD数据的速度条件,因此为速度创建了一种轮廓,如纸张所定义:

$$ u = \ frac {u_ {abl} ^ {*}} {k} \ l left(\ frac {z + z__ {o}} {z_ {o}} $$)\ tag {1} $$

在哪里:

\(u_ {abl} ^ {*} \) 测量的平均风速参考值。 0.7 \ (m / s \)
\(k) von karman常数。 0.41
\ (z \) 等效的砂粒粗糙度值。 0.0002 \ (m \)
\ (z_ {o} \) 空气动力粗糙度长度。 0.0001 \ (m \)
表1:计算速度入口所需的参数值。
速度入口日志配置文件数据CSV文件图
图2:用作输入的速度剖面图。
  • 动荡的输入

导入的湍流动能(TKE)数据基于风洞测量,并用纸张中包含的以下公式计算:

$ $ k (z) = (I_{你}(z) u (z)) ^{2} \标记{2}$ $

在哪里:

  • 答:恒定值为1。
  • \(I_{U(z)}\):通过风洞测量的z轴上的湍流动能。
  • \(U_{z}\): z轴上的入口速度。
湍流强度入口的风洞实验数据
图3:湍流强度的风洞测量。

压力出口

在域下游的垂直面上,设定了0 \(Pa\)工况的压力出口边界。

滑动墙

对于顶部,左侧和右侧,选择摩擦的表面边界条件。

地面

将地面模拟为防滑墙,其粗糙度为
$$ z = {2 \ times \ z_o} \ tag {3} $$
在哪里:

  • \(z_o\):空气动力学粗糙度长度。

网格生成

根据所建模建筑的尺寸,通过阳台的尺寸,通过LBM方法提供自动生成许多细化。使用此功能生成六个细化区域,最终网格具有以下特征:

细胞的数量 最小细胞长度(mm) 最大电池长度(mm)
3700万年 0.73 23
表2:所有三个风向的网格细节。
网格生成
图4:生成的建筑网格

结果

对不同CFD分析模型与实验数据之间的相关性进行测试的第一个参数是平均面压力系数在建筑物上,阳台定义为:

$ $ C_p = {p - 2 p_o \ / \ \ * \ρ\ * \ U_ref} \标记{4}$ $

在哪里,

  • \(p\):从立面抽取的平均表面压力。
  • \(p_o\):在流不受干扰的域内,参考点的静压。
  • \(ρ\):空气密度。
  • \(U_{ref}\):参考速度。

用两条线来检验不同求解器与实验数据之间的相关性,A线和b线也用800个点来提取每条线的压力值。

在A线或B线上共有11个点作为评价的参考点。

线条参考点建立结果控制
图5:用于必要结果导出的线和参考点。

让我们分解每个风向的结果:

0°风向

在计算结果的移动平均值之后,计算出各种流体通过,5个流体通过被证明是待平均和用作模拟结果的最佳选择。移动平均是在技术分析中使用的指标,可以通过从随机短期价格波动滤除“噪声”,识别趋势方向来帮助平滑价格行动。特别是,时间段(n)上的安全性的算术平均值,并且它被定义为:
$$ sma = {Δc_p\ over \ n} \ tag {5} $$
在哪里:

  • \(c_p \):期间的平均值。
  • \(n \):时间段数。

流体流道为:
$$ n = {l \ over \ u_ {ref}} \ tag {6} $$

在哪里:

  • \(L\):域长度
  • \ (U_ {ref} \):参考速度(14.92 \ \)(m / s)

这是第一个参考点的移动平均值:

移动平均五个流体通过瞬态仿真LBM
图6:用于在5个流体上超过5个流体的参考点的平均表面压力的平均表面压力的平均图。

沿A线Cp分布如下图所示。图中包含了Ansys RANS、Ansys LES、SimScale IDDES和Experimental solution:

两种风洞的平均地面压力系数分布曲线进行了比较
图7:沿A线(0°风向)的压力分布系数

对行B也执行相同的程序:

移动平均五个流体通过瞬态仿真LBM
图8:B线(0°风向)经过5个流体通道的平均地面压力的移动平均图。

B线B的CP分布结果如下:

两种风洞的平均地面压力系数分布曲线进行了比较
图9:沿B线(0°风向)的压力分布系数。

此外,还可视化了带有阳台的建筑立面上的Cp分布结果,显示了CFD结果是多么接近:

阳台rans Les LBM Iddes比较的建筑物外观上的平均表面压力系数分布图
图10:对ANSYS和SIMSCALE模拟建筑立面上CP分布的比较(0°风向)。

90°风向

对于90度的风向壳体,移动平均值并不像0度案例一样稳定。这是第一个参考点的移动平均值:

移动平均五个流体通过瞬态仿真LBM
图11:A线(90°风向)5个流体经过的参考点平均地面压力的移动平均图。

相对于平均较少的流道数,5个流道是最稳定的选择,用于a线Cp分布图:

两种风洞的平均地面压力系数分布曲线进行了比较
图12:沿A线(90°风向)的压力分布系数。

这同样适用于B行:

移动平均五个流体通过瞬态仿真LBM
图13:线B(90°风向)的参考点的平均表面压力的移动平均图在5个流体上。

CP分发显示SimScale LBM-IDDES如何相对于ANSYS LES和ANSYS RANS跨B行的方式:

两种风洞的平均地面压力系数分布曲线进行了比较
图14:沿B线(90°风向)的压力分布系数。

但是,在外观上的CP的可视化表现出在ANSYS LES案例中更好地相似:

阳台rans Les LBM Iddes比较的建筑物外观上的平均表面压力系数分布图
图15:用于ANSYS和SIMSCALE模拟的建筑立面上CP分布的比较(90°风向)。

180°风向

180度情况下的移动平均图更接近于直线A的0度情况的稳定性:

移动平均五个流体通过瞬态仿真LBM
图16:在5个流体上的线A(180°风向)的参考点的平均表面压力的移动平均图。

IDDES结果与ANSYS LES的结果相当:

两种风洞的平均地面压力系数分布曲线进行了比较
图17:沿A线(180°风向)的压力分布系数

这同样适用于lineb的5个流体传递的移动平均值:

移动平均五个流体通过瞬态仿真LBM
图18:线B(180°风向)参考点的平均表面压力的平均曲线图(180°风向)超过5个流体通过。

IDDES结果对Cp的预测不足,而其他两种方法似乎对Cp的预测过高:

两种风洞的平均地面压力系数分布曲线进行了比较
图19:B线(180°风方向)的压力分布系数。

最后,与前2个案例一样,Cp在立面上的可视化与LES研究结果吻合得很好,这意味着结果比Ansys RANS更可靠:

阳台rans Les LBM Iddes比较的建筑物外观上的平均表面压力系数分布图
图20:ANSYS和SimScale模拟(180°风向)建筑立面Cp分布对比。

速度比结果

速度比k是评估行人风速度的重要参数。它计算为:
$$K = {U \over \ U_{ref}}\tag{7}$$
在哪里:

  • \(U\):节点速度
  • \(U_{ref}\):研究的参考速度(14.92 m/s)

以下是在0度风向下,1.75米(人均身高)高度下,2、11、20和29层阳台的K比值分布的一些比较:

K比率阳台后处理
图21:不同CFD求解器的K值结果可视化。

此外,创建了垂直中心线的K分布比较为0度案例:

垂直中心线速度比k分布比较LBM阳台建筑风舒适度0度风向
图22:0°风向下沿中心线的速度比分布

和180度的类似一个风向壳体可以如下所示:

垂直中心线速度比K分布比较LES RAN RANS LBM Balconies建筑风舒适180度风向
图23:180°风向穿过中心线的速度比分布。

最后,在阳台上执行对最大速度比的评估,/(k_ {max} /),用于0度的风向。
$ $ K_{马克斯}= (U_{马克斯}/次/ U_{环境})\标记{8}$ $
在哪里:

  • \(U_{max}\):每个阳台空间在行人高度处的最大当地平均风速。
  • \(U_{ambient}\):在地面以上行人高度上的“未受干扰”平均风速。
横跨建筑物的最大速度比valax与阳台行人高度
图24:0度风向情况下穿过阳台的\(Kmax\)

比较与结论

包含用于偏差计算的度量的表如下所示:

偏差结果表绝对偏差归一化均方误差分数偏差
表3:所有风向的偏差度量。

指标是:

  • 绝对偏差。
  • nmse(归一化均方误差)。它是对反映系统和不系统(随机)错误的真实值的散射量度:

$ $ NMSE = \压裂{[(C_ {p (WT)} -C_ {p (CFD)}) ^ 2]} {[C_ {p (WT)}] [C_ {p (CFD)}]} \标记{9}$ $

  • FB(分数偏差)。这指的是结果的比率,表示系统误差导致总是低估或高估测量值:

$$ fb = \ frac {2([c_ {p(wt)}] ​​- [c_ {p(cfd)}])^ 2} {[c_ {p(wt)}] + [c_ {p(cfd)}]}} \ tag {10} $$

波动的入口状况有助于结果。而且,没有具有已经收敛的流场作为输入影响,特别是对于90°风向的收敛。
与RANS模拟结果相比,上述计算结果与实验数据吻合较好。180°风向的结果与LES结果最接近。

参考

  • “带阳台建筑的CFD气流和平均地面压力模拟:RANS和LES的比较”-建筑与环境vol . 173, 2020年4月15日,106747- X. Zheng, H. Montazeri, B. Blocken, https://doi.org/10.1016/j.buildenv.2020.106747
  • T.Stathopoulos,Zhu,Zhu,用附属物建筑风压,J. Wind Eng。Ind。航空。31(1988)265-281,https://doi.org/10.1016/0167-6105(88)90008-6。
  • https://www.numeric.systems/

上次更新:2021年1月26日

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