專題 | 環(huán)境與氣象的CFD解決方案

2018-02-05 by:CAE仿真在線來源:互聯(lián)網(wǎng)

自然環(huán)境與人類的生存息息相關(guān),而人類的為了生存以及發(fā)展,無時(shí)無刻需要對(duì)自然環(huán)境進(jìn)行改造,以從自然界獲得生存發(fā)展所必須的物質(zhì)資料以及把自然環(huán)境改造成適于人類生活的人居環(huán)境。當(dāng)代,隨著科技的發(fā)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(huán)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(huán)境的可持續(xù)發(fā)展。

為了更好的對(duì)自然環(huán)境進(jìn)行改造,已獲得人類與自然和諧發(fā)展的環(huán)境,需要更多的手段來對(duì)自然環(huán)境及人居環(huán)境進(jìn)行探索。而利用ANSYS CFD技術(shù)對(duì)大氣環(huán)境、建筑風(fēng)環(huán)境、水環(huán)境等進(jìn)行探索的手段,大有發(fā)展?jié)摿Α?

從大的方向,ANSYS CFD對(duì)環(huán)境及氣象方面的研究與探索可以從城市熱環(huán)境、建筑風(fēng)環(huán)境、大氣污染物擴(kuò)散三個(gè)方面進(jìn)行。

1、城市熱環(huán)境

在城市的生態(tài)環(huán)境問題中,城市熱環(huán)境問題是極為重要的一個(gè)方面。現(xiàn)代城市在快速發(fā)展過程中只注重經(jīng)濟(jì)發(fā)展而不注重環(huán)境和地域特點(diǎn)的保護(hù),現(xiàn)在的大都市普遍均一化,地域特色不足,尤其缺乏對(duì)地域氣候的適應(yīng)性。在我國的夏熱冬冷地區(qū),夏季炎熱的氣候條件使不少城市難以達(dá)到宜居環(huán)境的標(biāo)準(zhǔn)。而目前的氣候調(diào)節(jié)方式以人工調(diào)節(jié)為主。這種方式需要耗費(fèi)大量的能源,并且對(duì)環(huán)境造成污染。這個(gè)問題在當(dāng)前我國能源緊張的環(huán)境下顯得尤為突出。更為重要的是,消耗能源所產(chǎn)生的熱量,使城市熱島效應(yīng)更為強(qiáng)烈,增加環(huán)境、氣候變化的脆弱性。另一方面,城市規(guī)劃中往往不會(huì)將綠地、水體等自然資源對(duì)區(qū)域小氣候的調(diào)節(jié)作為規(guī)劃中的主要考慮因素。如何通過建立人與自然的和諧機(jī)制,充分利用城市現(xiàn)有自然資源和氣候條件,形成良好的人地關(guān)系,成為現(xiàn)今城市急待解決的問題。

因而現(xiàn)階段,利用ANSYS CFD仿真技術(shù)分析基于氣候、生態(tài)環(huán)境的城市熱環(huán)境狀況,并為城市設(shè)計(jì)和城市規(guī)劃服務(wù),逐漸成為解決城市熱環(huán)境問題的一個(gè)重要手段。

利用CFD進(jìn)行城市和城區(qū)的熱環(huán)境分析,主要利用風(fēng)環(huán)境作為城市熱環(huán)境變化的主要流通手段。而且城市的熱島效應(yīng)也是依靠通風(fēng)狀況來進(jìn)行緩解。因此城市熱環(huán)境的好壞與城市風(fēng)環(huán)境息息相關(guān),成為研究的重點(diǎn)。

某市夏季白天市區(qū)溫度分布(右)和晚上市區(qū)溫度分布(左)

某市水體水溫不同時(shí)的市區(qū)溫度分布

2、建筑風(fēng)環(huán)境

利用ANSYS CFD對(duì)建筑物風(fēng)環(huán)境的研究,首先可以為建筑設(shè)計(jì)師提供建筑物的風(fēng)載荷,幫助設(shè)計(jì)師優(yōu)化建筑物的氣動(dòng)外形,以及為設(shè)計(jì)建筑物,尤其是高大建筑物的阻力減震系統(tǒng)設(shè)計(jì)提供依據(jù)。

另外,建筑物風(fēng)載的提供,還為大型建筑的表面裝飾工程以及建筑物的內(nèi)部通風(fēng)或者空調(diào)系統(tǒng)安置提供依據(jù)。而基于地域性氣候的建筑群風(fēng)環(huán)境的研究,也可以為區(qū)域的城市規(guī)劃或建筑群的規(guī)劃布置提供依據(jù)。

目前已經(jīng)趨于完全成熟的ANSYS CFD仿真技術(shù)目前也廣泛用于建筑物風(fēng)環(huán)境的流場數(shù)值模擬,并取得了顯著的效果。當(dāng)前,采用ANSYS CFD可以極大地縮減建筑工程的實(shí)驗(yàn)成本和設(shè)計(jì)周期,從而縮減建筑物,特別是超級(jí)建筑工程的建設(shè)費(fèi)用。而在不久的將來,在建筑物風(fēng)環(huán)境的研究上,人們的研究手段將更多地轉(zhuǎn)變到以CFD仿真為主,實(shí)驗(yàn)為輔的方式上來。

悉尼市政在規(guī)劃城市風(fēng)環(huán)境的時(shí)候,使用ANSYS CFD工具對(duì)城市進(jìn)行風(fēng)環(huán)境預(yù)測(cè),研究城市規(guī)劃對(duì)風(fēng)場的影響,為城市規(guī)劃提供依據(jù)。

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城市模型

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西風(fēng)下的風(fēng)環(huán)境

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南風(fēng)下的風(fēng)環(huán)境

3、大氣污染物擴(kuò)散預(yù)測(cè)

隨著我國的城市化發(fā)展,城市的大氣污染問題相伴而生。城市規(guī)模的日益擴(kuò)大,城市布局的日益復(fù)雜,大量高大的建筑物的出現(xiàn)對(duì)大氣流動(dòng)造成顯著的影響,進(jìn)而也影響到大氣中的污染物遷移擴(kuò)散。目前我國用于評(píng)價(jià)城市大氣污染物遷移擴(kuò)散的計(jì)算模型都是基于統(tǒng)計(jì)學(xué)理論的高斯模型。這類模型僅適用于污染源周邊建筑物較矮,高空有開敞的擴(kuò)散空間的情況,而不是用于有高大建筑物的情況,更無法對(duì)局部微觀的環(huán)境污染物濃度進(jìn)行評(píng)估。因而,利用ANSYS CFD流體分析工具對(duì)局部復(fù)雜的城市大氣環(huán)境污染物的遷移擴(kuò)散進(jìn)行預(yù)測(cè)將成為發(fā)展趨勢(shì),并且大有應(yīng)用前景。

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城市污染物的來源通常來自于工業(yè)企業(yè)的生產(chǎn)過程、生活爐灶與采暖鍋爐的排放以及交通運(yùn)輸?shù)?。利用ANSYS CFD可以準(zhǔn)確對(duì)這些污染物的擴(kuò)散進(jìn)行預(yù)測(cè),以指導(dǎo)城市規(guī)劃中如何避免污染災(zāi)害的發(fā)生或減少災(zāi)害的損失,并通過對(duì)污染物擴(kuò)散的預(yù)測(cè)來幫助制定災(zāi)害發(fā)生時(shí)候的逃生路線。