Использование Ansys Fluent для моделирования потока ветра вокруг городских сооружений для городского планирования

Городские планировщики и инженеры все чаще обращаются к передовым вычислительным инструментам для проектирования городов, которые примиряют плотность с пригодностью для жизни. Среди этих инструментов программное обеспечение для вычислительной динамики текучей среды (CFD) стало незаменимым для анализа потока ветра вокруг зданий и других городских структур. Ansys Fluent, один из наиболее широко используемых пакетов CFD, предлагает точность и гибкость, необходимые для моделирования сложных явлений ветра в построенных средах. Создавая цифровые модели городских районов и решая управляющие уравнения движения жидкости, исследователи могут предсказать, как воздух будет перемещаться по улицам, вокруг башен и по площадям. Эта статья предоставляет всеобъемлющее руководство по использованию Ansys Fluent для моделирования потока ветра в городском планировании, охватывая методологию, преимущества, проблемы и новые тенденции. Знания, полученные от этих симуляций, позволяют дизайнерам повысить комфорт пешеходов, улучшить качество воздуха, повысить энергоэффективность здания и создать более устойчивые города.

Что такое моделирование ветровых потоков для городской среды?

Моделирование потока ветра включает в себя построение виртуального представления части города — включая здания, деревья, местность и открытые пространства — и затем вычисление того, как воздух движется через это пространство в различных атмосферных условиях. Основная физика регулируется уравнениями Навье-Стокса, которые описывают сохранение массы, импульса и энергии в потоках жидкости. Программное обеспечение CFD, такое как Ansys Fluent, дискретизирует эти уравнения по сетке и решает их итеративно, чтобы произвести подробные поля скорости, давления, температуры и турбулентности.

Моделирование городского ветра отличается от моделирования в аэродинамических или промышленных условиях, потому что они должны учитывать атмосферный пограничный слой - область атмосферы, непосредственно на которую влияет поверхность Земли. Профиль ветра в этом слое неоднороден; он варьируется по высоте и формируется шероховатостью поверхности (здания, деревья, трава). Правильное моделирование этого входящего профиля имеет решающее значение для реалистичных результатов. Кроме того, городское моделирование часто требует обработки больших областей, нескольких препятствий и сложных турбулентных будок, которые простираются на сотни метров под ветром.

Почему Ansys Fluent является инструментом выбора для изучения городских ветров

Ansys Fluent был основой CFD в течение десятилетий, и его возможности особенно хорошо подходят для требований городского моделирования ветра. Программное обеспечение предлагает ряд моделей турбулентности - от подходов Рейнольдса-Усредненного Навье-Стокса (RANS), таких как k-epsilon и k-omega SST, до более продвинутых методов моделирования большого Эдди (LES), позволяющих пользователям сбалансировать точность и вычислительные затраты. Для исследований ветра на уровне пешеходов модели RANS часто обеспечивают достаточную детализацию для проектных решений, в то время как LES могут использоваться для захвата переходных явлений, таких как вихревое сбрасывание или динамика порыва.

Ключевые особенности, которые делают Ansys Fluent сильным пригодным для моделирования в масштабе города, включают:

Эти возможности были подтверждены в многочисленных исследованиях и реальных проектах, что дает планировщикам уверенность в результатах. Например, Лондонский Сити использует моделирование CFD, часто выполняемое с Fluent, для оценки условий ветра вокруг предлагаемых небоскребов до предоставления разрешения на планирование (] Город Лондон наведения на ветровой микроклимат ).

Пошаговый рабочий процесс для моделирования ветра в Ansys Fluent

Проведение надежного моделирования городского ветра требует тщательного планирования и выполнения. Следующие шаги определяют типичный рабочий процесс. Хотя специфика зависит от объема проекта и имеющихся данных, общий процесс остается последовательным.

1.Создание 3D-модели городской территории

Основой любого моделирования является подробная и точная геометрическая модель. Для градостроительных исследований модель должна включать все здания в радиусе не менее нескольких сотен метров от интересующей территории, а также видные рельефы и крупные скопления растительности. Источниками для этой геометрии являются:

Для того, чтобы сетка была управляемой, часто опускаются ненужные детали (например, небольшие элементы фасада, оконные рамы), поскольку они оказывают незначительное влияние на крупномасштабные структуры потока. Однако следует включать значительные архитектурные особенности, которые влияют на ветер, такие как большие свесы, туннели или возвышенные дорожки. Модель обычно экспортируется в формате STEP, IGES или STL и импортируется в среду сетки Ansys Fluent.

2. Импорт и настройка

После того, как геометрия импортирована, пользователь определяет вычислительную область. Для городских симуляций область должна простираться достаточно далеко вверх по течению, вниз по течению и над зданиями, чтобы избежать искусственных пограничных эффектов. Общее правило заключается в том, чтобы разместить вход в пять раз выше самого высокого здания вверх по течению, верхнюю границу в три раза выше этой высоты и выход в десять раз выше этой высоты вниз по течению. Координационные оси выровнены с преобладающим направлением ветра, если изучается одно направление, или эталонным направлением, если выполняется несколько углов ветра.

3. Определение граничных условий

Наиболее критичным граничным условием является профиль входа.В атмосферном пограничном слое скорость ветра обычно следует логарифмическому закону:

U(z) = (u*/k) ln((z + z0)/z0)

где z - высота над землей, z0 - длина шероховатости поверхности (обычно 0,1-1 м для плотных городских районов), u* - скорость трения, и k - постоянная фон Кармана (≈0,41). Ansys Fluent позволяет пользователям определять этот профиль с помощью пользовательских функций (UDF) или путем генерации файла профиля. Параметры турбулентности (например, турбулентная кинетическая энергия и скорость рассеивания) также указаны на входе, чтобы соответствовать потоку подхода. Земля моделируется как стенка без скольжения с заданной высотой шероховатости, полученной из местности. Боковые и верхние границы обычно устанавливаются как плоскости симметрии, и выход использует состояние выхода давления с целевой массой расхода для обеспечения глобальной экономии массы.

4.Стратегия сетки

Качество сетки напрямую влияет на точность и стабильность моделирования. Городские модели получают выгоду от многогранных или обрезанных гексаэдрических сеток, которые обеспечивают лучшую точность в расчете на ячейку, чем чистые тетраэдры. Ключевые требования к сетке включают:

Количество клеток для модели районного масштаба обычно колеблется от 5 до 30 миллионов клеток. Рекомендуется проводить исследования независимости ячеек — проводить моделирование на грубой и тонкой сетке, чтобы гарантировать, что результаты не изменятся значительно с дальнейшей доработкой.

5. Настройки растворителя и моделирование турбулентности

Для моделирования с постоянным состоянием (обычно для большинства оценок городского планирования) растворитель на основе давления выбирается с помощью алгоритма связи с давлением SIMPLE или SIMPLEC. Среди моделей турбулентности реализуемая модель k-эпсилон с улучшенной обработкой стенок предлагает хороший баланс точности и вычислительной экономии для внутренних / наружных потоков. Для более подробных неустойчивых явлений можно использовать масштабно-адаптивное моделирование (SAS) или большое моделирование Эдди (LES), но при гораздо более высокой вычислительной стоимости.

Конвергенция оценивается путем мониторинга остатков (обычно опускающихся ниже 10-4 для непрерывности и импульса и 10-5 для k и эпсилона) и проверки того, что интегрированные величины, такие как коэффициенты сопротивления или скорости на конкретных зондах, становятся стабильными.

6. Постпроцессинг и толкование

После сближения моделирования модуль постобработки Fluent или внешние инструменты (например, Ansys CFD-Post, ParaView) используются для извлечения значимой информации. Общие результаты для городского планирования включают:

Количественные критерии из руководящих принципов, таких как Руководство ASHRAE или критерии Лоусона, применяются для оценки превышения порога комфорта и безопасности пешеходов. Например, скорости ветра выше 5 м/с на уровне пешеходов часто считаются неудобными для длительного сидения, в то время как скорости выше 15 м/с представляют опасность для безопасности.

Преимущества использования Ansys Fluent для городского планирования

Интеграция моделирования CFD в процесс планирования дает ощутимые улучшения в качестве жизни и экологических показателях.

Пешеходный комфорт и безопасность

Путем точного определения областей с высоким ускорением ветра (часто вокруг углов здания или под возвышенными конструкциями), планировщики могут осуществлять меры по смягчению последствий на ранних этапах проектирования, такие как добавление навесов, ветровых ветров или стратегической растительности, а не переоборудование после строительства. Например, моделирование может информировать о размещении зон для сидения и открытых террас кафе в защищенных местах. Снижение эффектов аэродинамической трубы на открытых площадках является прямым результатом таких анализов.

Качество воздуха и естественная вентиляция

Ветровой поток непосредственно влияет на дисперсию загрязняющих веществ, таких как NO2 и твердые частицы от движения. Моделирование CFD помогает проектировать уличные каньоны и строить геометрии, которые улучшают естественную вентиляцию, тем самым уменьшая накопление загрязняющих веществ. В летних климатах, где преобладает загрязнение, лучшая циркуляция воздуха также может снизить эффект теплового острова, способствуя конвективному охлаждению. Ansys Fluent может моделировать транспорт загрязняющих веществ, включая скалярные транспортные уравнения, что делает его мощным инструментом для оценки воздействия на окружающую среду.

Повышение энергоэффективности

Условия ветра влияют на потерю тепла от ограждений зданий и производительность естественных систем вентиляции. Точные коэффициенты давления ветра, полученные в результате моделирования Fluent, используются для моделирования энергии здания (например, через EnergyPlus) для оптимизации размещения окон, затенения и калибровки HVAC. Это снижает потребление энергии и эксплуатационные расходы, что способствует сертификации зеленого здания, такого как LEED или BREEAM.

Решения, основанные на данных дизайна

Возможно, наибольшим преимуществом является замена догадок количественными данными. Планировщики могут сравнивать несколько вариантов проектирования (высота зданий, ориентация, расстояния отступления) контролируемым образом, оценивая компромиссы между комфортом ветра, коридорами обзора, доступом к солнечной энергии и плотностью. Этот основанный на фактических данных подход поддерживает прозрачную связь с заинтересованными сторонами и регулирующими органами.

Реальные приложения и тематические исследования

Ansys Fluent применялся в знаковых городских проектах по всему миру. Например, реконструкция лондонской площади Кингс-Кросс включала в себя обширные испытания аэродинамической трубы и моделирование CFD для обеспечения комфорта пешеходов на новых площадях и общественных местах. В Сингапуре исследователи использовали Fluent для изучения потока ветра в высокоплотном жилье для улучшения естественной вентиляции и снижения охлаждающих нагрузок. Другим заметным случаем является дизайн ветровой башни Масдар-Сити в Абу-Даби, где моделирование CFD помогло сформировать геометрию башни, чтобы захватить преобладающие ветры и направить прохладный воздух в общественные пространства ниже.

Академические исследования также подтверждают эффективность Fluent. В исследовании 2020 года, опубликованном в Строительство и окружающая среда , сравнивались результаты Fluent LES с данными аэродинамической трубы для модели района в масштабе 1:200, подтверждая, что методология точно предсказывала среднюю скорость и интенсивность турбулентности на уровне пешеходов Имитация потока городского ветра: сравнение данных LES и аэродинамической трубы .

Проблемы в городском моделировании ветра с использованием флюэнта

Несмотря на свою мощь, использование Ansys Fluent для градостроительства не лишено препятствий.

Будущие тенденции: ИИ, данные в реальном времени и облачные вычисления

Будущее моделирования городского ветра заключается в том, чтобы сделать его более быстрым, дешевым и более интегрированным с системами городского управления.

Заключение

Ansys Fluent предлагает градостроителям и инженерам надежную платформу для моделирования потока ветра вокруг городских структур, предоставляя идеи, которые приводят к более безопасным, более комфортным и устойчивым городам. От выявления опасных горячих точек ветра до оптимизации естественной вентиляции и энергоэффективности зданий применение CFD становится стандартной практикой в перспективном муниципальном дизайне. В то время как такие проблемы, как вычислительные затраты и потребность в специальных знаниях, остаются, продолжающиеся достижения в области облачных вычислений, машинного обучения и интеграции цифровых двойников снижают барьеры. По мере того, как города мира становятся все более плотными и изменение климата усиливает экстремальные события ветра, такие инструменты, как Ansys Fluent, будут играть еще большую роль в формировании городской среды завтрашнего дня.