專題 | 環境與氣象的CFD解決方案

2018-02-05 by:CAE仿真在線來源:互聯網

自然環境與人類的生存息息相關,而人類的為了生存以及發展,無時無刻需要對自然環境進行改造,以從自然界獲得生存發展所必須的物質資料以及把自然環境改造成適于人類生活的人居環境。當代,隨著科技的發展,大片大片城市群已聳立于地球之上,但是,隨著而來的是大量的環境問題,如大氣污染、霧霾、水資源的污染等,這些都將影響到人類環境的可持續發展。

為了更好的對自然環境進行改造,已獲得人類與自然和諧發展的環境,需要更多的手段來對自然環境及人居環境進行探索。而利用ANSYS CFD技術對大氣環境、建筑風環境、水環境等進行探索的手段,大有發展潛力。

從大的方向,ANSYS CFD對環境及氣象方面的研究與探索可以從城市熱環境、建筑風環境、大氣污染物擴散三個方面進行。

1、城市熱環境

在城市的生態環境問題中,城市熱環境問題是極為重要的一個方面。現代城市在快速發展過程中只注重經濟發展而不注重環境和地域特點的保護,現在的大都市普遍均一化,地域特色不足,尤其缺乏對地域氣候的適應性。在我國的夏熱冬冷地區,夏季炎熱的氣候條件使不少城市難以達到宜居環境的標準。而目前的氣候調節方式以人工調節為主。這種方式需要耗費大量的能源,并且對環境造成污染。這個問題在當前我國能源緊張的環境下顯得尤為突出。更為重要的是,消耗能源所產生的熱量,使城市熱島效應更為強烈,增加環境、氣候變化的脆弱性。另一方面,城市規劃中往往不會將綠地、水體等自然資源對區域小氣候的調節作為規劃中的主要考慮因素。如何通過建立人與自然的和諧機制,充分利用城市現有自然資源和氣候條件,形成良好的人地關系,成為現今城市急待解決的問題。

因而現階段,利用ANSYS CFD仿真技術分析基于氣候、生態環境的城市熱環境狀況,并為城市設計和城市規劃服務,逐漸成為解決城市熱環境問題的一個重要手段。

利用CFD進行城市和城區的熱環境分析,主要利用風環境作為城市熱環境變化的主要流通手段。而且城市的熱島效應也是依靠通風狀況來進行緩解。因此城市熱環境的好壞與城市風環境息息相關,成為研究的重點。

某市夏季白天市區溫度分布(右)和晚上市區溫度分布(左)

某市水體水溫不同時的市區溫度分布

2、建筑風環境

利用ANSYS CFD對建筑物風環境的研究,首先可以為建筑設計師提供建筑物的風載荷,幫助設計師優化建筑物的氣動外形,以及為設計建筑物,尤其是高大建筑物的阻力減震系統設計提供依據。

另外,建筑物風載的提供,還為大型建筑的表面裝飾工程以及建筑物的內部通風或者空調系統安置提供依據。而基于地域性氣候的建筑群風環境的研究,也可以為區域的城市規劃或建筑群的規劃布置提供依據。

目前已經趨于完全成熟的ANSYS CFD仿真技術目前也廣泛用于建筑物風環境的流場數值模擬,并取得了顯著的效果。當前,采用ANSYS CFD可以極大地縮減建筑工程的實驗成本和設計周期,從而縮減建筑物,特別是超級建筑工程的建設費用。而在不久的將來,在建筑物風環境的研究上,人們的研究手段將更多地轉變到以CFD仿真為主,實驗為輔的方式上來。

悉尼市政在規劃城市風環境的時候,使用ANSYS CFD工具對城市進行風環境預測,研究城市規劃對風場的影響,為城市規劃提供依據。