不同网格类型对建筑风环境仿真结果的影响

陈 佳 王梦林

(北京构力科技有限公司，上海 200023)

引言

在使用CFD进行建筑风环境仿真的时候，首先需要根据建筑模型的形状，生成计算所需的流体域网格模型[1]，网格的生成工具很多，可以手动划分生成网格，也可以选择自动划分网格。通常为了力求实际模型的形状与网格模型的形状保持一致，研究人员会消耗大量的精力，在专业的前处理工具上进行网格划分，复杂的模型生成符合模型外形的计算网格更是难上加难。而在绿建风环境仿真时，往往不可能花费大量时间进行手动网格划分，因此自动网格划分就成了最佳选择。

开源CFD软件OpenFOAM自带的网格生成工具就是在设置相关参数后能自动生成网格。通常探讨流体网格主要指结构网格或者非结构网格， 但本文讨论的不同网格类型并非通常所指的结构网格和非结构网格，因为OpenFOAM自带的snappyHexMesh工具生成的都是非结构网格，针对OpenFOAM的非结构网格，可选择的网格类型有贴体网格和非贴体网格。网格模型中网格节点位于建筑表面，与建筑实际模型表面相一致的网格称为贴体网格。在网格生成过程中不考虑网格节点与建筑表面实际模型相一致的网格称为非贴体网格。OpenFOAM的体贴网格是在非贴体网格的基础上进行生成的。

贴体或者是非贴体两种网格类型，哪一种更适合绿建风环境仿真，本文主要就是探讨OpenFOAM中贴体网格或非贴体网格对计算结果的影响。

1 研究现状

近年来，BIM技术在建筑领域的应用越来越广泛[3]，在建筑的设计初期，风环境对建筑的影响也是一个很重要的考虑因素。同时现在绿色建筑的理念也越来越被人们理解和接受，风环境同样也是绿色建筑评价体系[3-5]中一个重要的环节，因此做好建筑风环境的模拟以及对模拟结果的准确性判断至关重要。

国内外对于建筑风环境的仿真已经发展很多年了，国内有较多论述[6-8]综合性介绍了仿真技术在风环境的应用，国外也有人[9-10]总结了建筑风环境仿真中的关注点和关键技术， 他们对建筑风环境仿真技术起到了很好的推动作用。也有很多探讨了仿真过程中所使用的网格类型，主要是关于结构网格和非结构网格，比如康忠良等[11]和阎超等[12]对结构网格和非结构网格进行了详细的论述，并指出了网格发展的一些技术难点和方向。T-O Hagbo等[13]论述了结构网格和非结构网格对高大建筑风环境模型的影响，其结论表明，结构网格与非结构网格计算的结果大致是相同的，对于关注整体流动情况的模拟来说，选择结构网格或者非结构网格都是可行的。对于使用OpenFOAM进行建筑风环境的仿真国内还较少，王硕等[14]使用OpenFOAM对正弦形沙丘表面流场特性进行了研究，也使用了OpenFOAM自带的网格划分工具，但是只研究了网格数目对流场的影响。Kastner等[15]用OpenFOAM在虚拟风洞中完成了建筑群的仿真，但是建筑都是很规则的正方体。Li Jing等[16]完成了三个建筑风环境的仿真，其中一个算例是使用OpenFOAM完成的，目标是完成一些验证工作。Mohan等[17]在完成建筑风环境的计算后，主要关注后处理的显示方式。

(a)原始建筑模型 (b)非贴体建筑表面网格 (c)贴体建筑表面网格图1 建筑模型与生成的建筑表面网格

上述相关工作有的论述并研究了结构网格和非结构网格对计算结果的影响，有的研究了不同网格数量对计算结果的影响，有的关注计算完成后的后处理。本文则借助OpenFOAM的自动网格生成工具及求解器，进行网格生成和模拟计算，主要论述不同网格量和不同的网格类型对建筑风环境计算的影响。本文的网格类型并非指结构网格和非结构网格，而是贴体网格和非贴体网格，有的地方也称为适体网格。

2 建筑的贴体和非贴体网格

在进行案例分析之前先对建筑模型的表面网格进行相关说明，以便后面结果的分析。

2.1 实际建筑模型和计算使用的建筑表面网格模型

假设有一个实际建筑，该建筑整体呈一个圆柱形，模型是STL格式，由诸多小三角形构成。如图 1(a)所示。基于图1(a)的建筑模型，使用OpenFOAM 生成的非贴体建筑表面网格模型如图1(b)所示(建筑表面尺寸2m为例)。基于图1(a)建筑模型，使用OpenFOAM 生成的贴体建筑表面网格模型如图1(c)所示。

原始建筑模型与非贴体及贴体网格模型外形的对比如图2所示，为了便于观察，仅取一个与Z方向垂直的截面作为示例，图2(a)是原始模型的截面图，为了便于区分，图2(b)和图2(c)中的阴影背景是原始建筑模型。从图中可以看出非贴体的建筑表面网格在墙面处存在锯齿现象，与实际建筑存在差异，贴体网格模型与实际建筑的外轮廓基本一致，因为在贴体的作用下，建筑表面网格附近的节点与建筑表面相贴合。

建筑表面网格的形状与流体域网格的形状息息相关，如果是非贴体的建筑表面网格，该建筑周边的部分流体域网格如图3(a)所示。贴体的建筑表面网格，该建筑周边的部分流体域网格如图3(b)所示。

(a)原始建筑模型 (b)非贴体建筑表面网格 (c)贴体建筑表面网格图2 建筑原始模型与非贴体及贴体网格模型外形的对比

(a)非贴体建筑周边网格

(b)贴体建筑周边网格图3 建筑周边流体域网格

从图中可以看到非贴体网格周边的计算域网格也是呈锯齿状，生成贴体网格的建筑周边，同时支持边界层网格的生成，能够很好地描述建筑的实际外轮廓。

2 计算模型

2.1 模型介绍

本文的计算案例使用的模型由若干个建筑组成，研究的目标建筑为中间的圆柱形建筑。绿色部分为绿化带，蓝色为水池，灰色为停车场，深橘色为道路。如图4(a)所示，用于数据后处理统计的考察区域如图4(b)的红线区域所示，下文中的风速统计就是在红线区域内统计1.5m高度处人行区的风速面积占比，非人行区不包含在统计范围内。

(a)算例模型

(b)考察区域图4 计算模型和风速考察区域

2.2 网格尺寸和数量

为了分析对比贴体网格与非贴体网格的计算结果，分别取建筑表面网格的尺寸别3m，2m，1m。三种尺寸生成的非贴体网格定义为A1，A2，A3，三种尺寸生成的贴体网格定义为B1，B2，B3，生成的网格数量见表1所示。

表1 不同网格类型算例的网格数量

3 计算结果分析

3.1 计算设置

本文计算案例收敛判断即计算停止的精度标准为10-4。计算采用的湍流模型为k-e模型，工况为冬季工况，风速方向为北风，风速大小为4.7m/s，入口边界条件为大气入口边界。整个计算域根据绿建相关要求在研究区域的前后左右区域各延伸一定距离，满足阻塞比的要求。

3.2 风速云图

计算生成的风速云图如图5所示，以A3和B3算例为例。风速云图的显示范围从0m/s～5m/s，在研究的圆柱形建筑的背风面(下方区域)可以看出，非贴体网格和贴体网格计算的结果有明显的差异。更具体的分析参见下文中的数据分析。

(a)风速云图A3

(b)风速云图B3图5 风速云

3.3 风速达标情况

绿建风环境评价时通常考察的是人行区5m/s的风速情况，为了对比研究网格对计算结果的影响，将六个算例的目标建筑附近的风速达标情况进行对比，如图6所示。

(a)A1 达标情况 (b)A2 达标情况 (c)A3 达标情况

(d)B1 达标情况 (e)B2 达标情况 (f)B3 达标情况图6 六个算例的达标情况

通过5m/s的风速达标图可以看出，贴体网格能够充分体现由建筑外形导致的高风速区域，主要由于贴体网格的表面网格顺滑，连续性较好，同时生成边界层网格，能较好地计算并考虑靠近建筑墙壁面的流动情况。而非贴体网格由于建筑表面网格呈锯齿形，并且没有边界层，因而不能很好地体现建筑近壁面的流动情况，因此在高风速区的识别能力上存在一定的误差，从图中也能看出5m/s的红色区域比贴体网格的面积要少，并且随着网格分辨率的增加(建筑表面网格尺寸的减小)，建筑附件的流动越来越靠近建筑表面，并且高风速占比(红色区域)越来越多。

对红线范围内的人行区进行风速面积占比统计，数据统计结果如表2所示。

表2 结果统计

非贴体网格的计算结果随表面网格尺寸的变化规律不明显，三个不同的表面网格尺寸计算结果相接近，处于任意风速带的风速面积相差不大。而贴体网格的计算结果随尺寸变化比较规律，建筑表面尺寸越小，0～1m/s，3～4m/s的风速面积比例随着建筑表面网格尺寸的减小而减小。1～2m/s，2～3m/s，5～7m/s的风速面积比例随着建筑表面网格尺寸的减小而增加。

通过绝对值观察有时并不明显，因为人行区的整体面积大小会削弱高风速区的比例，下面仅针对非贴体和贴体网格的1m尺寸的结果进行相对比例的分析， 对比如图7 所示。

图7 非贴体1m与贴体1m的风速面积统计对比

在低风速0～1m/s范围内面积统计值相差9%，3～4m/s相差15%，4～5m/s相差1%，5m/s以上相差49%，可见在高风速区域的计算结果相差较大。

为了便于分析低风速的统计结果，根据表2的数据，将风速分布情况根据5m/s和2m/s为分界点进行面积占比统计，如表3所示。

表3 不同算例达标面积百分比

0～5m/s的达标面积百分比随着计算网格精度的提高(建筑表面网格越来越小)而逐渐降低，表明计算统计得到的高风速区域面积越来越多，同时也能看出贴体网格计算的高风速面积要高于非贴体网格。贴体网格的2m/s面积百分比整体要比非贴体的高，表明贴体网格在高风速的统计和低风速的统计上都比非贴体的高。同时也能得出，非贴体网格的所统计的面积占比最多的是中间风速。

造成这一现象的原因，主要是因为非贴体网格无法非常准确地计算靠近建筑附近的流动情况，如果使用贴体网格，并且生成建筑表面的边界层，靠近壁面附近的流场计算才更合理。

4 结论与改进

通过上面的分析可以看出，在绿建室外风环境仿真的时候，建议使用贴体网格，可以比较准确地计算出靠近建筑周边的流动情况，如果使用非贴体网格，建筑周边的风速整体偏低。如果使用贴体网格计算出来的人行区风速较高，设计人员可以在高风速地区的上风速地带设计一些比较高大的绿化带，来降低风速。

本文从应用层面探讨不同网格尺寸和网格类型对建筑风环境计算统计结果的影响，仅从数值模拟的计算结果出发，得出贴体网格的计算结果更加符合真实情况。同时，本文进行模拟计算时也没有深入研究不同的壁面边界层数，建筑表面的Yplus数值是否在模型适用范围等等因素，因此本文探讨还存在很多不足，后续将在这几个方面继续深入研究，进一步改进室外风环境模拟计算统计结果的准确性。