根据欧洲规范 (EN 1991-1-4) 推荐风洞尺寸

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计算区域的大小(风洞尺寸)是风洞模拟的一个重要方面,它影响着 CFD 模拟的准确性和成本。

近年来,使用计算流体力学(简写为 CFD)来设计风敏感结构的研究越来越受到人们的关注。 这是因为随着计算机技术的进步使得解决复杂的流体动力学问题的成本变得较低。 计算区域的大小(风洞尺寸)是风洞模拟的一个重要方面,它影响着 CFD 模拟的准确性和成本。

流体力学控制方程被离散化,并在建筑模型外的一个体积区域内求解,该区域称为计算区域(图 1)。 一个典型的长方体区域共有六个边界。 除了定义域的底部之外,这些边界本质上是非物理的。因此,它们对流动面积的影响是模拟误差(以下称为域误差)的一个来源。 在距离结构足够远的地方设置非物理障碍,以最大程度地减少对结果的主要影响,这一点很重要。 如果边界位置太远,模型的计算成本可能会增加。 计算域的大小必须在考虑计算成本和求解精度的情况下进行优化[1]。

风能计算工程 (CWE) 最佳实践建议 [2] [3] 承认具有适当大小的计算域对于求解精度的重要性。 这些建议将域错误与风洞试验中的类似问题联系起来,例如在截面面积有限的域中的阻塞效应和在域边界和建筑模型之间的空间不足的域中的局部流动的人为加速。 因此,域边界与建筑模型之间的最小距离和最大阻塞率或两者的组合用于指定尺寸要求[3]。

下面是欧洲规范圆柱形状 [4] 的示例,其中考虑了两个不同的计算域维度。 第一种情况(图 2)是默认设置 RWIND,计算精度较低,但计算速度更快;第二种情况是推荐的风洞尺寸(图 3),这种情况更准确,但计算量更大。 例如,对于默认的风洞尺寸,CFD 模拟需要23 分钟,而对于推荐的风洞尺寸,需要42 分钟 增加约 80% 的计算成本 。 另外需要注意的是,该仿真是由 CPU 执行的: Intel(R) Xeon(R) Gold 6248R CPU @ 3.00GHz128 GB RAM ,用于1000 次迭代

风压系数 (Cp) 图(图 4)表明,计算域的大小对结果的准确性起着重要作用,尤其是对于正压力区域。 空气动力学中推荐的风洞尺寸示意图如图 6 [5] 所示。 关键是要注意速度入口附近的压力场值;它们最好接近于零(图 5)。

作者

Mahyar Kazemian, M.Sc.

Mahyar Kazemian, M.Sc.

市场营销与产品工程

Kazemian 先生负责 Dlubal 软件的产品开发和营销,尤其是 RWIND 2 程序。

参考文献

[1]   Abu-Zidan, Y., P. Mendis, and T. Gunawardena, Optimising the computational domain size in CFD simulations of tall buildings. Heliyon, 2021. 7(4): p. e06723.
[2]   Franke, J., et al. Best practice guideline for the CFD simulation of flows in the urban environmental summary. in 11th Conference on Harmonisation within Atmospheric Dispersion Modelling for Regulatory Purposes, Cambridge, UK, July 2007. 2007. Cambridge Environmental Research Consultants.
[3]   Blocken, B., Computational Fluid Dynamics for urban physics: Importance, scales, possibilities, limitations and ten tips and tricks towards accurate and reliable simulations. Building and Environment, 2015. 91: p. 219-245.
[4]   EN 1991-1-4 (2005) (English): Eurocode 1: Actions on structures - Part 1-4: General actions - Wind actions [Authority: The European Union Per Regulation 305/2011, Directive 98/34/EC, Directive 2004/18/EC]
[5]   Zhang, C., et al., Wind pressure coefficients for buildings with air curtains. Journal of Wind Engineering and Industrial Aerodynamics, 2020. 205: p. 104265.

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  • 更新 2023年05月22日

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