一種適用于山地建筑數值風洞模擬的建模方法
【技術領域】
[0001 ]本發明涉及一種山地建筑風環境模擬的建模方法。
【背景技術】
[0002]數值風洞模擬方法是一種應用計算流體力學(Computat1nal Fluid Dynamic ,CFD)技術在計算機上對建筑物周圍風流動所遵循的流體動力學方程進行數值求解，并借助計算機圖形學技術將模擬結果形象地描述出來，以對建筑物周圍風場進行仿真模擬的研究方法。近十幾年來，數值風洞模擬方法發展成為一種結構風工程研究方法，并逐漸形成了一門新興的結構風工程分支--計算風工程學(Computat1nal Wind Engineering，CWE)，與直接的風洞試驗方法相比，數值風洞模擬方法具有如下優點:1)成本低;2)周期短;3)資料完備，可以獲得整個風場中各物理量(如壓力、速度、湍流動能等)分布狀態，可以對研究對象進行全面的分析研究;4)具有模擬真實條件的能力，可以建立與建筑物原型尺寸相同的計算模型，模擬實際的風環境，可避免風洞試驗由于尺寸效應所引起的誤差;5)可以廣泛地設定各種條件進行模擬，并已經成功應用于如500米口徑射電望遠鏡等諸多重要工程的風環境模擬中。雖然CWE技術在傳統的直接風洞試驗所不能解決的問題上具有廣闊的前景，但當它被用于山地模擬時還是存在一些不足:山地建筑CFD數值模擬的精度低以及當在山地外繼續接平地來擴大三維尺度，來滿足計算域入口和出口距離所測試建筑模型最小距離的要求時，這種建模方式在山地與平地交界處過渡不自然，交界處的臺階對風場有較大的擾動，從而會形成地形截斷效應，導致數值模擬的誤差偏大。
【發明內容】
[0003]本發明的目的是提供一種可以適用于山地建筑數值風洞模擬的建模方法，要解決以往山地建筑數值風洞模擬方法存在的地形截斷對風場產生影響、山地建筑CR)數值模擬的精度低、建模復雜、適用范圍窄的技術問題。
[0004]為實現上述目的，本發明采用如下技術方案:
一種適用于山地建筑數值風洞模擬的建模方法，其步驟如下:
步驟一:根據實際建設方案中的建筑尺寸和坐標數據，用CAD軟件作圖，建立測試建筑模型，測試建筑模型的尺寸與實際建設方案中建筑的尺寸相等；
步驟二:根據實測的地形坐標數據，在CAD圖中建立山地模型，其中山地模型根據實測的地形坐標數據擬合得到；
步驟三:確定測試建筑模型至風場計算域入口的垂直距離L1以及測試建筑模型至計風場計算域出口的垂直距離L2,所述測試建筑模型至風場計算域入口的垂直距離L1F小于測試建筑模型最大尺度L的10倍，所述測試建筑模型至計風場計算域出口的距離L2F小于風場計算域入口至測試建筑模型的距離1^，即L2 > Li；
步驟四:根據測試建筑模型阻塞比的要求以及測試建筑模型風場側邊界與地面到風場上邊界距離的要求，確定風場側邊界(:到測試建筑模型的距離、風場側邊界d到測試建筑模型的距離以及地面到風場上邊界距離；
步驟五:在CAD圖中將山地模型中的山地邊線a沿順風向掃掠至風場計算域入口處，得到山地邊線延伸線a，同時山地邊線a掃掠過的區域為山地的延伸面A;
在CAD圖中將山地邊線b沿順風向掃掠至風場計算域出口處得到山地邊線延伸線b，同時山地邊線b掃掠過的區域為山地的延伸面B;
在CAD圖中將山地邊線c沿橫風向掃掠至風場側邊界c處得到山地側邊延伸線C，同時山地邊線c掃掠過的區域為山地的延伸面C;
在CAD圖中將山地邊線d沿橫風向掃掠至風場側邊界d處得到山地側邊延伸線d，同時山地邊線d掃掠過的區域為山地的延伸面D;
步驟六:在CAD圖中，在空白區域處，用平面填充得出平地區域A( 12)、平地區域B(13)、平地區域C、以及平地區域D;
步驟七:將風場計算域入口、風場計算域出口、風場側邊界C、風場側邊界d以及風場上邊界圍成一個空間區域，建立風場空間模型；
步驟八:將在CAD軟件里建立好的山地模型、測試建筑模型、平地模型和風場空間模型導入流體分析軟件里，并設置邊界條件進行分析。
[0005]優選的，山地模型、四個山地延伸面及四個平地相互之間平滑過渡。
[0006]優選的，山地邊線延伸線a在風場計算域入口所形成的平面內；山地邊線延伸線b在風場計算域出口所形成的平面內；山地邊線延伸線c在風場側邊界c所形成的平面內；山地邊線延伸線d在風場側邊界d所成的平面內。
[0007]優選的，測試建筑模型的阻塞比等于5%或者小于5%。
[0008]優選的，地面到風場上邊界距離大于測試建筑模型到風場側邊界的距離或者地面到風場上邊界距離等于測試建筑模型到風場側邊界的距離。
[0009]優選的，風場側邊界c與風場側邊界d關于測試建筑模型的幾何形心對稱。。
[0010]優選的，所述山地模型尺寸小于的風場邊界尺寸。
[0011 ] 優選的，所述步驟三中，所述測試建筑模型至計風場計算域出口的距離L2=15L。
[0012]優選的，所述風場空間模型為一個長方體空間模型，由于地面不是平整的，該長方體空間模型只是一個近似長方體的空間模型。
[0013]優選的，所述的設置邊界條件包括:在風場計算域入口邊界定義隨高度變化的風速剖面及湍流特性;在風場計算域出口邊界定義壓力出口邊界條件;在風場側邊界c、風場側邊界d以及上邊界定義對稱邊界條件;在測試建筑模型的表面、山地模型的表面、四個山地的延伸面的表面以及四個平地的表面設置壁面邊界條件。
[0014]與現有技術相比本發明具有以下特點和有益效果:
1、本發明采用“邊線延伸”方法建立的山地建筑的數值風洞模型，有效解決了傳統方法在的地形截斷對風場的影響問題。
[0015]2、在本發明中山地與平地交界處過渡自然，降低了交界處的臺階對風場的影響，從而提高了山地建筑CFD數值模擬的精度。
[0016]3、本發明建模簡便、適用范圍廣。
【附圖說明】
[0017]下面結合附圖對本發明做進一步詳細的說明。
[0018]圖1是平地建筑的數值風洞模型。
[0019]圖2是山地建筑的傳統數值風洞模型側面示意圖。
[0020]圖3是本發明的FAST反射面板示意圖。
[0021 ]圖4是本發明步驟二中建立山地模型的示意圖。
[0022]圖5是本發明步驟五中建立山地延伸面的示意圖。
[0023]圖6是本發明步驟六中建立平地區域的示意圖。
[0024]圖7是本發明步驟七中建立風場空間區域的示意圖。
[0025]圖8是本發明中的500米口徑球面射電望遠鏡項目(FAST)數值風洞模型局部放大圖。
[0026]附圖標記:I一測試建筑模型、2—山地模型、3— FAST反射面板、4一風場計算域出口、5 —風場計算域入口、6—山地邊線a、7—山地邊線b、8—山地邊線C、9一山地邊線d、10 —風場側邊界C、11 一風場側邊界d、12—平地區域A、13—平地區域B、14一平地區域C、15—平地區域D、16 —風場、65 —山地的延伸面A、67 —山地的延伸面B、81 —山地的延伸面C、91 一山地的延伸面D、18—山地邊線延伸線a、19 一山地邊線延伸線b、20—山地邊線延伸線C、21—山地邊線延伸線d。
【具體實施方式】
[0027]實施例參見圖1-5，這種適用于山地建筑數值風洞模擬的建模方法，其步驟如下:步驟一:如圖3所示，根據實際建設方案中的建筑尺寸和坐標數據用CAD軟件作圖，建立測試建筑模型，也就是FAST反射面板3，FAST反射面板3的尺寸與實際建設方案中的FAST反射面板尺寸相等；
步驟二:如圖4所示，根據實測的地形坐標數據，在CAD圖中建立山地模型2，其中山地模型2根據實測的地形坐標數據擬合得到；
步驟三:確定FAST反射面板3至風場計算域入口 5的垂直距離L1以及FAST反射面板3至計風場計算域出口 4的垂直距離L2,所述FAST反射面板3至風場計算域入口 5的垂直距離L1F小于FAST反射面板3最大直徑的10倍，所述FAST反射面板3至計風場計算域出口 4的距離L2不小于風場計算域入口 5至FAST反射面板3的距離L1，即L2 2 L1;
步驟四:根據FAST反射面板3的阻塞比的要求以及FAST反射面板3風場側邊界與地面到風場上邊界距離的要求，確定風場側邊界ClO到FAST反射面板3的距離、風場側邊界dll到FAST反射面板3的距離以及地面到風場上邊界距離；
步驟五:如圖5所示，在CAD圖中將山地模型2中的山地邊線a6沿順風向掃掠至風場計算域