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1、首都博物馆建筑空气动力学计算计算机处理风工程问题正朝着“价格便宜量又足”的方向发展。如今的计算水平已经能够解决相当一部分建筑空气动力学问题。尤其是在西方发达国界，计算流体力学的方法解决建筑空气动力学已经得到工程界的认可，已经有了相应的行业标准。在这些国家当中，应用计算的手段研究建筑中的问题已占相当大比例，而在我国建筑业还滞留在传统的模式当中，接受计算流体力学建筑设计的单位几乎空缺。要我国的建筑设计单位了解，认可计算流体力学解决建筑空气动力学问题这种方法对国民经济建设是很重要的。这样的工作需要从事流体实验和计算的流体力学工作者的共同努力才可能。北大力学系计算流体力学组配合空气动力学试验是应用CF
2、D软件完成首都博物馆的建筑空气动力学计算。1.1.1 问题的背景首都博物馆结构造型新颖，美观。但是其结构设计的重要载荷风载荷却无法从理论和经验获得，在现行的规范中也难以查到。为此需要进行专门的风洞试验或者计算，以获得风荷载，为抗风设计提供重要依据。图4-2首都博物馆效果图1.1.2 求解的过程1.1.2.1 几何建模据建筑制图或者结合CAD资料进行建筑物（这里包含周边环境）的三维几何建模（使用Gambit作为生成几何外形工具）图4-3博物馆几何外形图4-4博物馆及周围环境几何在图4-3和4-4中，中间蓝色的部分是博物馆，其他为周围环境（以博物馆为中心直径500米内）的三层楼以上的建筑物。博物馆
3、前面就是长安街。在进行建筑空气动力学相关的计算中，这一步占整个工作时间的80%以上，因为建筑物的形状可能非常复杂，对于不是经常阅读建筑制图的力学工作者来说，需要有比较好的空间想象能力。1.1.2.2 网格生成据建立的三维建筑物几何模型利用Gambit对要求求解的区域进行网格划分（为了让计算机能够进行处理所必要的空间离散）图4-5博物馆附近面网格图4-6博物馆以及周围环境的面网格要实现数值风洞流场求解的全部功能，必须基于可用于复杂外形的可靠的、实用的网格划分。因此，建筑物的几何建模及某些复杂结构的网格生成对数值模拟的结果起着很重要的作用，意义重大但又繁琐。进行空间网格的离散是整个计算最关键的部分
4、，网格质量不好，计算收敛的情况必定不会太好，甚至不收敛；就算收敛了，误差也很可能相当大。在生成表面网格的时候，必须避免表面网格的重叠、间隙等；在生成体网格的时候，尽量避免几何模型中的尖角17。如果生成体网格的时候尖角不可避免，就不得不对几何体的外形作一些小小的修改。在FLUENT的前处理软件Gambit中，这样的修改必须手工进行，但是ICEM-CFD是可以自动完成这样的修改的。这个项目的计算网格很难形成，其中最困难的地方是南北屋檐的镂空结构。这两个镂空结构类似百叶窗，其叶厚度大约30厘米，叶的间距大约也为30厘米，叶片长度大约150米，叶片数量为各5个。这样的结构是放在2000米*4000米*
5、300米的大环境中，实在难以形成疏密恰当的，高质量网格。我们在处理这个困难的时候，参考了实验的做法。实验也是无法完全按照相似性给出此镂空结构的几何，他们是使用的纱窗代替，同时给出透气率50%。仔细查阅FLUENT手册，发现FLUENT中有一多孔介质可以给出与纱窗类似的透气率。于是把镂空结构形成两个大的块体，按照多孔介质给出性质。这样处理以后网格成功生成。在图4-5中，可以非常明显的看到FLUENT使用多重网格法加速收敛。1.1.2.3 设置流场的边界条件类型设置边界条件中需要用C语言插入一段代码，用以实现对于大气边界层速度剖面的模拟。（在附录中有一段模拟大气边界层速度剖面的代码）1.1.3 F
6、LUENT进行计算获得结果在这个项目中，我们采用的是耦合解算器（对于低速流动传统上使用的是分离解算器，但是尝试分离解算的时候没有获得收敛结果），隐式格式，定常流动。流体介质就是空气，参数都使用缺省值。因为弗劳德数很大在相关的实验中没有模拟重力，所以我们在计算中没有加入重力项。湍流模型方面的是k-e加非平衡近壁面条件，计算主方程采用的是二阶迎风格式。获得结果的部分数据在下面的图形中标出图4-7首都博物馆轮廓图（屋顶为压力系数云图）图4-8首都博物馆屋顶压力系数云图1.1.4 计算结果和实验结果的比较在计算完结以后，我们北大力学系顾志福教授处获得了“首博新馆风荷载风洞模拟实验报告”。仔细比较实验和
7、计算的结果，发现计算和实验的结果符合得很好。在实验中，屋顶最大压力系数为0.257。获得此最大压力系数的测压孔编号1R10，其位置在椭圆柱北侧。在计算中，我们算得的最大压力系数为0.26。计算中获得此最大压力系数的位置和实验的位置完全相同。在实验中，屋顶最小压力系数为-0.915。获得此最小压力的测压孔编号为6R9，其位置为圆柱正西侧偏北一点的地方。我们计算获得的最小压力系数-0.94，这个值产生的地方恰好是实验产生最小压力系数值的地方。除了在这些最值点，在屋顶别的地方，计算和实验的差别也非常小。可以说，计算和实验获得的结果符合得非常好。15图4-9和表4-1分别给出了对应风洞试验的测压孔布置
8、和相应压力系数。（用符号在下图中标出压力最大点和最小点的位置）图4-9首都博物馆屋顶测压孔布置（只保留最大和最小压力点数据，其他从建）表4-1首都博物馆屋顶测压孔实验压力系数1.2 有无大气边界层的流场对比1.3 北京电视中心综合业务楼及其演播中心为例图4-10 北京市电视中心造型设计方案根据北京市朝阳区气象资料统计：当地平均最大风速为20米/秒。基本风压为0.35N/m2。对于北京电视中心这样一个具有超高层的整体结构和其顶部的玻璃幕造型以及周边裙楼的玻璃幕墙等，均属于复杂的结构外形。在其结构设计中重要的荷载之一 风荷载，无论从理论上或经验中难以从现行规范中查找到准确答案。在电视中心的顶部有一
9、个直升机停机坪，如果在停机坪上有比较大的负压，停机坪就容易被风“吸掉”。另外，对于矩形切角玻璃幕上面的压力也比较关心。为此对北京电视中心综合楼群开展风荷载风洞模拟实验研究，用该楼群的缩尺相似模型在大气边界层风洞模拟实验研究，来获取主体高楼和裙楼的风荷载有关数据，为抗风结构设计提供依据。在进行模型实验的同时我们也进行了数值模拟，并且把模型实验的结果和数值模拟的结果进行了对比。1.3.1 求解的过程我们最后用于计算的网格使用ICEM-CFD生成。这个软件也是国外最新计算流体力学教科书推荐使用的前处理软件。因为北京电视中心和首都博物馆的前处理以及计算过程相似，所以这里对于前处理和计算部分只列出结果。
10、图4-11北京电视台几何外形以及网格（整体）图4-12北京电视台几何外形以及网格（停机坪、矩形切角玻璃幕）1.3.2 相关实验介绍因为我们将把计算结果和实验的结果进行对比，下面我们简单介绍一下这个项目的实验情况。为了实现北京电视中心建筑物所处当地近地面大气边界层地理环境，本实验使用北京大学实验段为宽3米、高2米、长32米大气边界层风洞来模拟北京电视中心风荷载实验。截面积2米3米的风洞是目前国际上风工程实验段中通用尺寸，由于该风洞实验段较长，可以使大气边界层充分发展，在模型所在位置达到所要求的剪切速度剖面和相应的湍流强度。16图4给出了本实验风洞模拟大气边界层剪切速度剖面和湍流度沿高度的分布。0
11、.0 10 20 30 40 50 60 70图4-14大气边界层平均速度和湍流度分布*在计算中加入大气边界层的方法首先，我们来看几个计算结果的Path Line图：图4-18.1 来流方向为均匀速度时垂直向Path Line图图4-18.3 来流按大气边界层给出速度剖面时垂直向Path Line图上面给出的四幅图分别是来流为均匀速度和来流按照大气边界层给出速度剖面时的垂直和水平方向Path Line图。为了对比均匀来流和来流按照大气边界层给出速度剖面时的流场，后面三幅图在电视台直升机停机坪的边缘释放了若干质点源。明显可以看出，当来流为均匀速度的时候，在电视台的迎风面和背风面速度场差别很大。在
12、前面两幅图可以看到，来流经过电视台之后形成了很大的三维的涡，背风面的流场很混乱。说明均匀的来流在k-e湍流模式的假定下，非常不稳定，受到小尺度的扰动后能够造成大范围的流场混乱。反观来流按照大气边界层给出速度剖面时的流场，停机坪没有对流场造成太大的影响，不论在垂直还是在水平方向都没有形成明显的大涡结构。说明在这样的来流条件下，同时在k-e湍流模式假定下，流场稳定性非常好。在实际的计算中，我还尝试过别的一些来流条件，流场都不如来流按照大气边界层给出速度剖面时的流场稳定。同时，在这个计算中来流按照大气边界层给出速度剖面时的流场是城市中自然的流场，这一点启示我们，自然形成的流场在它自身所处的通常环境中
13、具有某种最稳定的特征。第2章 总结本文对于商业CFD通用软件的主要特点，软件采用的基本解法、离散格式与湍流模型以及这些软件的源流作了一些介绍。在此基础上，本文给出了一个使用FLUENT对于带扰流片超音速喷管的算例。在第4章又给出了两个建筑空气动力学的算例。这三个例子都是三维的，几何外形都比较复杂，计算量都很大。但是通过合理地使用CFD商业软件，我们在不长的时间即获得了满意的计算结果，显示出这些软件在处理从低速到高速问题都比较有效。正确有效地认识和使用这些软件可以为社会节约一大笔财富。通过文中的例子可以清楚的看到，商业软件能够提清晰地供给我们流场中各种物理量的显示，而且只要留心，也能够发现一些意
14、想不到的规律。这些软件可以作为流体力学教学改革的强有力工具。利用它们可以帮助学生形成一些物理图景，激发学习兴趣，解决实际问题。但是在实际的项目中，我们也碰到了一些商业软件难以解决的问题，发现某些先进技术还没有在这些软件中得到实现。例如在处理自由面的时候，目前的软件普遍没有采纳Level Set方法，主要还是使用20年前的VOF方法；有一些流体力学和一般力学结合的问题，如从潜水艇发射的导弹离开水面以后外罩分离问题，还是自编程序比较有效；Gambit等网格自动生成软件产生的网格数量偏大；边界条件设置的时候只能使用软件所提供的几种，不是很自由。另外，虽然商业CFD软件经过了这么多年发展，并且一直朝着
15、易用性方面努力，但是目前还是很少有人能够确实有效地使用好这些软件。参考文献【1】M.范戴克：摄动法及其在流体力学中的应用，科学出版社，1987年6月第1版【2】苏铭德，黄素逸：计算流体力学基础，清华大学出版社，1997年3月第1 版【3】庄宁：应用FLUENT软件进行气动力工程计算，北京大学硕士研究生学位论文2000【4】John D.Anderson, Jr.：Computational Fluid Dynamics，清华大学出版社，2002年4月第1版【5】傅德薰，马延文：计算流体力学，高等教育出版社，2002年7月第1版【6】姚征, 陈康民：CFD通用软件综述，上海理工大学学报，2002
16、，24（2）【7】陶文铨 计算传热学的近代进展科学出版社 2000 【8】FLUENT Inc. ：FLUENT User Guide 1,2,3,4 1998【9】庄宁：应用FLUENT软件进行气动力工程计算，北京大学硕士研究生学位论文2000【10】S.V.帕坦卡：传热与流体流动的数值计算，科学出版社，1983年【11】Power Flow User Guide【12】J.H.Ferziger, M.Peric:Computational Methods for Fluid Dynamics, Springer, c1999【13】黄振宇,徐文灿,毛鸿羽:喷管流场及其推力矢量的数值计算，兵
17、工学报，2000-1【14】顾志福：建筑空气动力学讲义【15】顾志福：首博新馆风荷载风洞模拟实验报告 2002年6月15日【16】张伯寅：北京电视中心综合业务楼及其裙楼风荷载风洞实验研究【17】FLUENT Inc.：Gambit Modeling Guide 1998附录本文用于产生大气边界层速度剖面的UDF(User Defined Function)函数如下。#include udf.hDEFINE_PROFILE(inlet_x_velocity, thread, position) real xND_ND;/* this will hold the position vector *
18、/ real z; face_t f; begin_f_loop(f, thread) F_CENTROID(x,f,thread); z = x0; F_PROFILE(f, thread, position) =-25.*pow(40/10.),0.22); end_f_loop(f, thread)致谢王仁先生是我研究生入学时候的导师。和他的接触是从本科毕业论文开始，最后一次见面是在王先生家里。我给他搬家，在他家里我发现了先生西南联大时候的数学分析笔记。他说，碰到问题我还常翻。两年前的这个时候，我加入了计算流体力学教研室。回想起来，这是我一生中最正确的决策之一。在这里，我觉得流体力学很美
19、，心里也很快乐，学到了很多东西，我见到了很多让我敬佩的人。陈耀松老师是我后两年的导师。5年前，我就认识他了。一头漂亮白发，一张和蔼的面容，一颗不老的心。两年前曾经觉得自己很老了，很颓废。然而在这里我看到陈老师古稀之年仍然像孩子那样充满好奇，尝试新东西，学习新知识，仍然不断的寻求进步，不断的自我提升。我知道，我错了。我从新再认真投入到学习中去。开始做项目学习使用软件，之后又非常努力学习与计算流软件相关的一切：格式、湍流模式、Level Set、空泡、网格、矩阵、偏微分方程、计算方法陈老师最让我感激的地方就在于在他那里我从新获得了学习的热情以至生活的热情。他对事业的执著，对生活的大度永远是我追求的目标。教研室的翟老师是一个踏踏实实的人。做人，做学问都如此。在做项目的时候，他不但给我将怎么做，还很仔细得给我讲为什么。安亦然师兄手把手地教我用FLUENT，节约了我好多时间，他也是一个为了兴趣爱好宁愿牺牲金钱的青年教师。程暮林师弟实际上比我先进实验室，在心理上我一直时把他当作师兄看的。顾老师是我建筑空气动力学课程的老师。作为一个主攻实验的老师，对计算流体力学投入这样大热情让我很感动。他和张老师对本文的形成有很大的帮助。感谢所有对作者给予过关心、指导和帮助的老师们、同学们和朋友们。
