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首都博物馆建筑空气动力学计算 计算机处理风工程问题正朝着“价格便宜量又足”的方向发展。如今的计算水平已经能够解决相当一部分建筑空气动力学问题。尤其是在西方发达国界，计算流体力学的方法解决建筑空气动力学已经得到工程界的认可，已经有了相应的行业标准。在这些国家当中，应用计算的手段研究建筑中的问题已占相当大比例，而在我国建筑业还滞留在传统的模式当中，接受计算流体力学建筑设计的单位几乎空缺。 要我国的建筑设计单位了解，认可计算流体力学解决建筑空气动力学问题这种方法对国民经济建设是很重要的。这样的工作需要从事流体实验和计算的流体力学工作者的共同努力才可能。北大力学系计算流体力学组配合空气动力学试验是应用CFD软件完成首都博物馆的建筑空气动力学计算。 问题的背景 首都博物馆结构造型新颖，美观。但是其结构设计的重要载荷——风载荷却无法从理论和经验获得，在现行的规范中也难以查到。为此需要进行专门的风洞试验或者计算，以获得风荷载，为抗风设计提供重要依据。 图4-2首都博物馆效果图 求解的过程 几何建模 据建筑制图或者结合CAD资料进行建筑物（这里包含周边环境）的三维几何建模（使用Gambit作为生成几何外形工具） 图4-3博物馆几何外形 图4-4博物馆及周围环境几何 在图4-3和4-4中，中间蓝色的部分是博物馆，其他为周围环境（以博物馆为中心直径500米内）的三层楼以上的建筑物。博物馆前面就是长安街。 在进行建筑空气动力学相关的计算中，这一步占整个工作时间的80%以上，因为建筑物的形状可能非常复杂，对于不是经常阅读建筑制图的力学工作者来说，需要有比较好的空间想象能力。 网格生成 据建立的三维建筑物几何模型利用Gambit对要求求解的区域进行网格划分（为了让计算机能够进行处理所必要的空间离散） 图4-5博物馆附近面网格 图4-6博物馆以及周围环境的面网格 要实现数值风洞流场求解的全部功能，必须基于可用于复杂外形的可靠的、实用的网格划分。因此，建筑物的几何建模及某些复杂结构的网格生成对数值模拟的结果起着很重要的作用，意义重大但又繁琐。进行空间网格的离散是整个计算最关键的部分，网格质量不好，计算收敛的情况必定不会太好，甚至不收敛；就算收敛了，误差也很可能相当大。在生成表面网格的时候，必须避免表面网格的重叠、间隙……等；在生成体网格的时候，尽量避免几何模型中的尖角[17]。如果生成体网格的时候尖角不可避免，就不得不对几何体的外形作一些小小的修改。在FLUENT的前处理软件Gambit中，这样的修改必须手工进行，但是ICEM-CFD是可以自动完成这样的修改的。 这个项目的计算网格很难形成，其中最困难的地方是南北屋檐的镂空结构。这两个镂空结构类似百叶窗，其叶厚度大约30厘米，叶的间距大约也为30厘米，叶片长度大约150米，叶片数量为各5个。这样的结构是放在2000米*4000米*300米的大环境中，实在难以形成疏密恰当的，高质量网格。我们在处理这个困难的时候，参考了实验的做法。实验也是无法完全按照相似性给出此镂空结构的几何，他们是使用的纱窗代替，同时给出透气率50%。仔细查阅FLUENT手册，发现FLUENT中有一多孔介质可以给出与纱窗类似的透气率。于是把镂空结构形成两个大的块体，按照多孔介质给出性质。这样处理以后网格成功生成。 在图4-5中，可以非常明显的看到FLUENT使用多重网格法加速收敛。 设置流场的边界条件类型 设置边界条件中需要用C语言插入一段代码，用以实现对于大气边界层速度剖面的模拟。（在附录中有一段模拟大气边界层速度剖面的代码） FLUENT进行计算获得结果 在这个项目中，我们采用的是耦合解算器（对于低速流动传统上使用的是分离解算器，但是尝试分离解算的时候没有获得收敛结果），隐式格式，定常流动。流体介质就是空气，参数都使用缺省值。因为弗劳德数很大在相关的实验中没有模拟重力，所以我们在计算中没有加入重力项。湍流模型方面的是k-e加非平衡近壁面条件，计算主方程采用的是二阶迎风格式。获得结果的部分数据在下面的图形中标出 图4-7首都博物馆轮廓图（屋顶为压力系数云图） 图4-8首都博物馆屋顶压力系数云图 计算结果和实验结果的比较 在计算完结以后，我们北大力学系顾志福教授处获得了“首博新馆风荷载风洞模拟实验报告”。仔细比较实验和计算的结果，发现计算和实验的结果符合得很好。在实验中，屋顶最大压力系数为0.257。获得此最大压力系数的测压孔编号1R10，其位置在椭圆柱北侧。在计算中，我们算得的最大压力系数为0.26。计算中获得此最大压力系数的位置和实验的位置完全相同。在实验中，屋顶最小压力系数为-0.915。获得此最小压力的测压孔编号为6R9，其位置为圆柱正西侧偏北一点的地方。我们计算获得的最小压力系数-0.94，这个值产生的地方恰好是实验产生最小压力系