摘要：本文首先对CFD的研究现状作了基本概述，描述了其不断改进的过程，并通过对比分析不同研究机构及地区的标准条文中关于 CFD 在建筑室外风环境中的应用要求，总结出我国现有标准中关于建筑室外风环境 CFD 模拟要求的技术要点。然后分析了建筑风环境的研究方法及其实用性和难易度，对比分析了各个CFD软件的应用特点，得出了性价比较高、适合实际工程实践的软件。
关键词：CFD，室外风环境，工程
一、引言
在计算风工程领域，CFD 革命性的改变了传统流体力学研究方法和设计步骤，尤其是在建筑室外风热环境设计中的应用，已成为一个重要课题。1963 年，Smagorinsky首次成功应用大涡模拟 LES 对计算天气预测展开研究，同年，盖茨会议被学术界公认为计算风工程学的开端。2013 年 7 月，第六届欧非风工程大会在英国剑桥举行，协会上宣布开启CWE首次学术会议50周年纪念活动[1]。1992 年，在日本东京举办了一次意义重大的 CWE 专题研讨会，会上首次提出将风工程研究与传统空气动力学结合起来，利用 CFD 技术解决空气动力学问题[2]。近年来，越来越多的人关注于 CFD 在建筑室外风速、风压研究并逐渐形成完整的技术研究体系。
（一）计算流体力学 CFD 在建筑室外风环境中的研究现状
湍流模型的选择对 CFD 计算结果的影响位居各技术要点之首，因此，湍流模型的选择是建筑室外风环境研究中的重要环节之一。针对 CFD 在建筑室外风场中的研究，常用的湍流模型为 Reynolds 平均法（RANS），其核心是不直接求解瞬时的 Navier-Stokes 方程，而是求解时均化的 Reynolds 方程。Blocken 等人在 2004 年对三栋高层建筑室外人行区域走廊风环境舒适性进行了研究，他采用 Realizable k-ε模型对建筑室外走廊风环境进行数值模拟。该研究的主要创新点是将 CFD 模拟结果与统计气象数据和舒适标准结合起来，并最终形成了建筑室外风环境不舒适区评价体系。
国内针对CFD计算模型的研究主要集中于RANS 方法中不同 k-ε 湍流模型的模拟精度比较。马剑等人采用Reynolds时均N-S方程和RNG k-ε 湍流模型对单栋方形截面建筑和多栋矩形截面建筑组成的建筑群周围风环境进行数值模拟。杨伟等人采用标准k- ε和Realizable k- ε 两种湍流模型对大气边界层内单栋建筑周围风场进行数值模拟，并将模拟结果与风洞实验结果进行对比，提出 Realizable k- ε模型数值模拟精度更高。
（二）CFD网格生成技术研究
目前大多工程案例中采用专用网格生成软件来制作所需要的网格，部分 CFD 商用软件更是自带网格生成功能，大大降低了对操作者专业知识的要求。网格生成技术受到 CFD 学术界及工作者的广泛关注。采用一种行的内、外域计算域分区构造和网格划分方法，将计算区域分成内域和外域两个部分，内域包含研究所关心的计算模型，并采用域外域不同的网格划分方法，例如可采用四面体单元生成内域非结构体网格；在外域则采用六面体结构化网格进行离散。采用这种混合网格生成技术既可保证计算模型的准确性，也可有效分配有限的计算资源，同时还可以达到提高数值迭代过程收敛性的目的。
（三）CFD模型简化研究
早期的CFD应用中，多采用2D建模方法模拟流体运动，例如Yamada和Merone在 1972 年利用 2D 模型对正方体周围流场进行了研究，并通过风洞实验对 CFD 模拟结果进行验证。20 世纪 80 年代起，3D 建模逐渐增多。当时的 CFD 研究多是针对单体建筑进行的，例如针对长方体建筑进行 3D 建模，研究其周围流场风速风压的分布情况。由于建筑形体对风场影响显著，因此精确的工程建筑是保证 CFD 数值模型结果的重要技术点之一。但是由于流体在近壁面的流动是极其复杂的，建筑复杂边界的流场往往需要耗费大量人力物力才能达到准确的模拟效果，为了提高 CFD 应用效率，往往需要对实际建筑采用模型简化的方法进行研究。
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（四）CFD计算区域选择
计算区域的大小直接关系到模拟结果的准确性，计算区域过大会导致网格数增多，进而增加计算量和模拟成本。计算区域不足会导致模拟结果失真，无法对整个流场进行完整描述。合理选择计算区域，有助于在减少计算量的同时保证模拟效果，因此，如何选择计算区域是许多学者及组织关注的热点问题。欧洲科技研究领域合作组织 COST 在 Action 732 中提出，计算区域的大小取决于所描述的区域及采用的边界条件。针对高度为 H的单体建筑，其计算区域的顶部到建筑顶部的距离应不小于6-10H。日本 AIJ研究组织提出，对于高度为 H 的单体建筑，其侧边界和顶部边界应设置在离建筑顶部距离大于 5H 处。出流边界至少距离建筑背面10H。
二、建筑风环境研究方法
（一）现场实测
现场实测是研究风环境最直接有效的方法，对已建成的建筑进行实地测试，收集可贵的风环境数据资料，对后期设计和研究工作具有重要的意义。但是，由于现场实测耗费大量人力物力，且容易受到外界因素干扰，实际操作难度大。更重要的是，现场实测是针对已建成建筑进行的，无法为建筑设计初期提供参考，因此目前的研究还无法达到对建筑物进行实测的水平。
（二）风洞实验模拟
风洞试验是根据相似性原理，将被试验对象制作成模型后放置于风洞管道内，通过一系列方法使得风洞内产生人工可控制的气流，并模拟现实中气流流动状态，研究实验对象在气流作用下的相关参数，以确定试验对象的稳定性、安全性等性能。风洞试验经过多年的实践，理论和技术上都比较成熟，但是它的缺点是模型制作费时费力，试验周期长，模拟还原误差不稳定，且无法针对不同建筑方案进行对比研究。因此，目前在绿色建筑室外风环境研究中应用不广泛。
（三）数值模拟计算
建筑风环境研究中的数值模拟计算主要采用计算流体力学（CFD）模拟技术。近年来，随着计算机技术的不断提高，CFD 技术越来越受到重视和广泛应用，并取得了不少成果。相比于传统方法，CFD 克服了风洞试验周期长、精度差、投资成本高的缺点，直接在计算机上建立数值方程，采用离散求解的方法分析流体动。
（四）常用CFD商业软件介绍
CFD 应用的最终目的是通过 CFD 软件进行流体力学或流体工程的计算。经过长期的发展，目前国内外已经出现了一些商业 CFD 软件，例如 PHOENICS、Fluent、Airpak、Star-CD/CCM+、CFX 等。针对风环境模拟评价，PHOENICS 和 Airpak 具有较高的性价比，同时网格生成能力强，计算效率高，对用户的专业要求不高，适用于实际工程实践
三、总结
随着社会的发展，人们对居住环境舒适度的要求也在不断提高。本研究对于风环境的规划与设计具有一定的参考价值，但是该研究还存在很多的缺陷与不足，很多情况下都是默认了一种理想化的状态，但是现实的问题却是多目标与多联系的复杂性问题，所以这种评价的结果只能作为评判的一方面，而不是最终的结果。
大气风场的产生与形成是一个复杂的物理过程，其他诸如温度、湿度、太阳辐射等参数在研究中少有涉足，在以后的研究中需要对影响风环境的相关物理参数综合考虑，才能够得到准确合理的研究成果。
参考文献
[1]Ber Blockun.50 years of Cconmutational Wind Engineering: Past, present and future.J.Wind Eng. Ind. Aerodyn.129(2014)69-102.
[2]Energy Policies of IEA Countries 1997 Review. OECD, 1997,5
作者简介：唐天巍（1995-），男，汉族，重庆合川人，广州大学硕士研究生，研究方向：热舒适
论文作者:唐天巍
论文发表刊物:《基层建设》2019年第7期
论文发表时间:2019/6/26
标签：建筑论文; 环境论文; 网格论文; 模型论文; 室外论文; 风洞论文; 数值论文; 《基层建设》2019年第7期论文;