请教室外温度场模拟问题

elaneinside

小弟学建筑的，以前没接触过CFD，现在需要学习进行室外环境模拟，主要就是模拟住宅区的风环境和太阳辐射，看了一些fluent的教程和实例，但是似乎很少有这方面的例子，因此向大家请教，应该如何入门：

我要模拟的就是室外的风环境和热环境，尺度大约在50米乘50米的区域，需要设置来风的风速和温度，风速一般就是0-5m/s, 还需要模拟太阳辐射。

我这种问题计算精度要求不高，因为现实情况复杂不可能一一建模，计算出来的值也只是做个定性参考。但是模型尺度大，网格复杂。我的想法是，在各种设置上，只要不是对精细度有很大影响，尽量选择能够提升速度和简化参数的设置。

我的具体问题是：

0. 书上说这种情况下基本属于不可压缩气体，大家以为如何？如果是不可压缩气体，在material里是否需要选择理想不可压缩气体？

1. 如果风速矢量垂直于入口边界，那么除了出口边界和壁面，其他两侧和顶部采用对称边界是否合适？

2. 选用何种计算模型比较合适？是否需要考虑粘性？考虑的话k-e标准模型还是其他？

3. 就室外的情况来说，solar model选择哪种好？

4. 教材和帮助文件中出现的例子，哪些和我这种问题比较接近？或者大侠们看到过讲类似问题的书，能否推荐下。我倒是有专门讲风环境模拟的书，讲的很深，但是不是讲fluent的，所以理论是有，但是不知道怎么在软件中实现。

5. 就我这种问题来说，用fluent好还是cfx好？我装了个ansys 12反正是都带了，看有人说cfx算的快，后处理也漂亮，但是cfx学习资料太少了，连自带的tutorial都找不到。

6. 往往别人提供的建筑模型都是多面网格形式的（3dmax或者sketchUp导出文件），大家有什么方法转化为sat格式？我现在就是用cad先炸开再生成面域再合并，再导出为sat，但是炸开生成面域的时候经常丢面，大侠们是否知道有好的解决方法？

7. 我是继续学习gambit好还是学icem好？

问题既白有多，谢谢大家啦先~

[ 本帖最后由 elaneinside 于 2011-2-24 19:19 编辑 ]

凌白日

粗略的说一下，不对的地方还请大家改正：
0、因为你的风速较低，所以应该采用不可压缩流体。不可压缩流体也就是密度项为常数。
1、顶部使用对称边界不合适，两侧可以考虑使用周期性边界。
2、没做过相关的工作，静待高人解答。
3、你所说的模型没用过，不好评论。。。
4、说下自己的感受，风的模拟貌似在入口边条设定上是个难点，应为是脉动的吧
5、个人认为FLUENT好一些。。。
6、这个问题取决于你的问题模型，反正最后导出为标准的igs格式什么软件都能读取。
7、网格生成软件很多，如果你的模型不是很复杂，而且GAMBIT也有使用的经验，那就继续学GAMBIT吧。

通流

有点没有明白。流动与太阳辐射是怎么连上的？你想算温度场？
好像边界条件的处理有点难度。

elaneinside

感谢两位版主的耐心解答！提个问居然还给加分了，感激涕零呀。

是这样的，我这个行业的，做的也是有粗有细，最基础的就是做速度场的模拟，看住宅区的通风效果。都是稳态模拟，入口输入恒定风速和温度，最终看的就是风速和风压。有些做的细的，会考虑梯度风的影响，就是近地面风速小，远地面风速大，有个高度和风速增加的对应公式，fluent要实现这个是不是就要UDF了？

再进一步的，就是要考虑的温度，但是是空气温度，属于湍流和辐射的耦合计算。原理就是各个壁面对太阳短波辐射的反射率不同，造成自身温度的不同，先是根据模拟太阳辐射计算出壁面温度分布，然后把这个温度作为边界条件，进行对流和热输送的耦合计算，最后是得到近地面的空气温度分布。我可能想的比较简单，因为在选energy model里有一个solar model的选项，我就觉得可以选上一起计算了，不明白速度场合温度场在边界条件上设置的区别，版主指的是壁面的边界条件还是出入口和开敞空间的边界条件？

[ 本帖最后由 elaneinside 于 2011-2-24 19:19 编辑 ]

elaneinside

回二楼版主：

1、边界条件我是看gambit tutorial里有一个模拟汽车的模型，似乎和我的比较像，用的是symmetry的边界，您说的边界我还不懂，我这两天研究研究。
4、如果我是稳态模拟，就不需要您所说的脉动了吧？

通流

对于流场计算，难点是顶上的边界条件。其实没有什么好的办法。就是增加高度。如果你感兴趣的是50X50X50。那么，实际的计算域可能是50X50X100。高度上增加一倍。增加的那一部分中的网格可以比较少。这样不管你用什么边界条件，都可以。更好的办法是根据地面的建筑物的体积，估算远场流场。把这个估算的远场流场作为边界条件。那样，对于流体力学的要求就会高一些。

如果要加上地面的速度分布，要么用自定义值，但你得知道是什么。也可以把计算域想来流方向扩大。让边界层自然算出来。不过要增加多少，也是个问题。还是要根据边界层理论，估计。

[ 本帖最后由 通流 于 2011-2-20 23:50 编辑 ]

通流

对于计算热岛效应，我还没有想明白。要我的话，对于没有想明白的东西，我是不会去算的。

elaneinside

那如果分两步算呢？
第一步只算辐射，模拟短波辐射，稳态，求解的是表面温度，不考虑空气流动，这样是不是就不需要设置空气出入口？
第二步关掉辐射，用已经得到的表面温度算空气流动和对流传热。

对于计算域的问题，的确目前都是用版主所说的办法，至于加大的数量，我记得之前看过有论文提到过，大概至少是求解区域的二倍左右。

[ 本帖最后由 elaneinside 于 2011-2-21 08:49 编辑 ]

通流

可这与实际情况差得比较远。如果有对流的话，空气流动会降低表面温度，从而影响辐射。
不过，要我做的话，可能也是一步一步来。先做只有辐射的，在做带流动的。

lalula2

你好，我也是做室外和室内环境模拟的。
我也来粗略讲解你的问题
0. 不可压缩气体，正如凌白日所说的。
1. 采用对称边界是可以的，但是要确定你的region of interest 有至少5H的距离。
（H 就是指建筑物的高度）
2. 那就要看你的计算机能力有多强了。LES 是最理想的turbulent model, 但是需要很长计算时间和resources.
3. Solar model 也是要看你模拟的精确度。一般都用fluent built in 的 solar ray tracing algorithm, 因为它简单和运算结果也不错。要是DO的话计算很详细，但同时也需要很高computational power.
4. 书还是比较少看到，但是我有看过相当多的journal有做过。可以在direct science 找到。
5. 我是用fluent的。cfx 不大清楚
6. 建议你还是自己把模型画出来。一般在sketchup or 3Dmax 画出来的模型的dimension都太过细腻了。要是复杂模型的话在画网格时你就可能画到吐血了。除非你并不打算用hexahedral mesh.
7. 我用gambit快三年。觉得还不错。ICEM 我还在学习，不过某些功能如o grid 的确很强很好用。要是你还没习惯gambit, 还是建议你学icem.

elaneinside

感谢您的回复，我现在遇到的问题是地面的边界条件设置，最初我只是简单设置为绝热，结果可想而知得不到正确的地表温度。看了下书，确定地表温度用的是地表温度平衡方程：
辐射吸收热+向地下传热量+对地表空气对流传热+蒸腾潜热=0
辐射和对流都可以通过模拟确定，关键是向下传热和蒸腾作用。向下传热根据书上讲的可以确定地下恒定温度，比如0.5米以下恒定26度，再知道这0.5米的传热系数，就可以确定传热量。不知道这种情况要如何模拟，是否可以直接在边界条件上设置出来，因为我实际不需要向下传热的细节，如果用网格分析这0.5米的厚度好像不是很必要。另外蒸腾作用的模拟好像很麻烦，模拟绿化周围的空气似乎比较难。
Ps：毕业了 sciencedirect的论文都下不了了555

lalula2

我想也没必要模拟向地下传热吧。太过over了吧。你只能把地面当成infinite wall length 来看。你要看的蒸腾是指natural convection problem??
如果你想模拟water vapour evaporation 那就是two phase flow 了。
你是要看到从绿色植物蒸发对环境空气的heat transfer effect?
PS: Science direct 可以从学弟或lecturer身上下手。。

[ 本帖最后由 lalula2 于 2011-2-22 17:24 编辑 ]

invader

原帖由 lalula2 于 2011-2-22 15:08 发表

                               
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你好，我也是做室外和室内环境模拟的。
我也来粗略讲解你的问题
0. 不可压缩气体，正如凌白日所说的。
1. 采用对称边界是可以的，但是要确定你的region of interest 有至少5H的距离。
（H 就是指建筑物的高度）
...

LES是最理想的？？？？

lalula2

恩。 在COST所发表的guideline也认为LES比RANS model 来的好。
COST就是 European Cooperation in Science and Technology.
那个guideline对于CFD模拟urban environment帮助很大。
网上可以找到。

elaneinside

恩这种大尺度的湿热环境要是完全靠模拟的确很难实现呀，实现方法估计也是要找一些简化的公式，自己定义到模型中去。
楼上可曾用过Envi-met这个软件？我试了一下，网格能力比较弱，但是是专门研究城市微气候的CFD软件，各种硬地面植被什么的都设置好了，空气计算使用的是k-e模型。这个值得研究一下，fluent的设置可以以这个作为参考说不定，毕竟植被这个直接用3d模型表示不太现实，因为不仅地上树冠有影响，地下树根也有影响。
PS：找学弟学妹去