城市风道分析与设计：计算区域和网格划定

1.计算区域

计算区域指计算过程中要进行计算的控制区域。它的大小将直接影响模拟的准确性和计算时间。若计算区域过大，则会增加计算时间；若计算区域过小，则会使得流场失真。同时，各个建筑往往不是孤立存在的，而是与其他建筑体相连的，所以周边的建筑也将在一定程度上影响该研究区域的风场。因此，在一般情况下，为了接近现实的情况和满足基本要求，计算区域进风口方向长度约为最高建筑高度3～4倍，出风口方向长度为最高建筑高度的8～10倍，计算高度取值为最高建筑高度的2～4倍。本实验区域选择计算区域大小为1400m×1100m×50m，收敛的标准为残差曲线平缓，当所有变量残值小于10-3时。

2.网格划分

网格划分的目的是对CFD模型实现离散化，把求解域分解成可得到精确解的适当数量的单元。网格质量不仅直接影响模拟的精度和可靠性，而且也影响模拟过程中的稳定性和收敛性。细密的网格可以使结果更精确，但是会增加计算时间和计算需求，有时候一些不必要的细节会大大增加分析需求。网格划分的数量与计算机计算时间直接相关，对于较复杂外形的几何模型，需要经过多次试验，才能划分出数量适中且质量较好的网格。此次模拟分析已经简化了模型，使用ANSYS Workbench 16.0中的网格（mesh）工具划分网格。根据研究街区和建筑群的几何形态，采用三角形网格为主，网格尺度为1～2m，对建筑附近区域进行网格加密操作，网格质量良好（见图3-9）。

3.设置边界条件

在Fluent中模拟风环境时，边界条件的设置尤为重要。合理设置边界条件能够有效地使模拟的结果更接近真实的情况。因此，在设置边界条件的时候，需要对模拟区域的风向、风速做基础分析。对于本章的研究区域，由于目的是为了与实测值进行验证分析，因此在确定入口边界条件时，将其设置为速度入口（velocity inlet）的边界条件，数值为入风口处实测值的平均值。但由于地表的建筑物、构筑物以及树木等都会产生摩擦，使风速降低，风速剖面会受到地表粗糙度的影响，影响的范围称为“大气边界层”。而大气边界层的顶部风速称为梯度风速^[37]。

图3-9　网格划分示意

当风速随着高度的变化而变化时，会形成垂直于速度分布的剖面，一般有对数律和指数律。考虑到前文实测的结果和水平方向上的平均风速剖面，因此用指数律表示，即

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式中：Ui和U∞分别为Zi和Z∞处的平均风速；Zi为任意处的高度；Z∞为大气边界层在均匀流动时的高度；α为地表粗糙度系数，不同地貌的地表粗糙度不同，根据我国的规范（见表3-8），α取0.2。

表3-8　不同地貌的地表粗糙度

根据公式（3-5）和地表粗糙度的选取，将公式（3-24）修正为

U=0.533UiZ0.2　(3-25)

式中：Ui为实测平均风速；Z为该研究区域的平均高度。

速度入口边界由于不是常数，设置时需要编写子程序inlet_velocity.c导入主程序（见图3-10）。

图3-10　入口边界条件子程序

设置出口边界条件时可以将出流面边界条件设置成压力出口边界（pressure outlet），相对压力为0。这是假设空气在到达出流面时已经完全发展的情况下，也就是出流面的空气流动已经恢复到没有任何建筑物阻挡的条件。考虑到该研究模型属于近地面大气边界层流动，建筑与街道都采用了数值处理的方法，而采用标准壁面函数可以得到较为准确的结果。而且标准壁面函数法对近壁面首排网格的划分要求是y+≈12.5～200-400，这与非壁面函数法和增强壁面的处理方法的网格划分数量不同，它的网格数量更少，能大大减少计算量。因此，本书在考虑分析街区的风环境时，采用标准壁面函数法。