1、建筑领域CFD仿真能力现状分析

　　如今正值冬季，气候比较干燥，温度也比较低，这样的环境更让一些病毒开始肆意传播了，尤其是最近传染性比较强的冠状病毒。大家在家度过了2020春节，为了保证室内空气的质量，建议每天至少两次开窗通风，这是降低感染风险的有效措施。但是如何开窗，开窗多久房间内可以达到换气一次以上呢？这些问题通过CFD仿真就可以获得精准的答案。

　　此外，我国绿色建筑的评估早已经形成自有体系，无论是国家标准还是地方标准，都对建筑周围的风、热环境有了相应的要求。比如在GB-50378中明确要求建筑物周围的人行区风速低于5m/s，建筑总平面设计有利于夏季自然通风，对于同时存在自然通风、复合通风和人工冷源的建筑，应分别计算不同功能房间室内热环境；PMV-PPD的计算程序应按国家标准《民用建筑室内热湿环境评价标准》等。建筑室内的人员舒适性也是异常重要的。

　　做实验是一个有效的办法，但是，建筑实验往往具有模型建造成本高，实验环境难以复现，实验周期长等问题。而采用流体软件进行仿真，具有快捷简便，准确性高，成本低等优点。目前，应用CFD软件进行仿真受到广泛的认可，并大量应用于工程实践中。

　　2、STAR-CCM+介绍

　　（1）软件简介

　　西门子工业软件（北京）有限公司是Siemens公司在中国的全资子公司。Siemens是全球领先的多领域工程仿真（CAE）解决方案供应商，在工业仿真领域有超过35年的实际工程经验，不仅提供软件的开发，而且拓展到了包括CFD和FEA等CAE领域的工程服务。其中Simcenter STAR-CCM+是Siemens旗下的专业通用CFD软件，在全球超过8000多个用户。

　　在建筑行业中的应用主要涉及：室外风环境，高层建筑风荷载、烟囱效应和热岛效应计算等；建筑室内通风，污染物扩散，火灾，除湿和除霜，空调出风口布局，空气龄和人员舒适性计算等。

　　该软件包含有几何建模、模型前处理、计算执行及计算结果后处理与分析一体化的集成环境，能够提供复杂几何的处理能力，减少表面网格和体网格的准备时间，提供广泛的物理模型来解决跨学科的综合工程问题。

　　STAR-CCM+的跨学科问题综合解决方案

　　（2）特点和优势

　　相对于其他竞争对手，STAR-CCM+在一体化、自动化、动网格、计算模型和方法、并行求解效率、与PLM的系统集成等方面有独特的优势：

　　01一体化集成环境

　　STAR-CCM+可以在单个工作界面集成整个仿真流程，是一款真正的几何处理、网格划分、求解器、优化、后处理完全一体化环境的软件。

　　通过简单的点击操作可复制整个仿真流程，利用我们市场领先的CAD-to-mesh技术，随着设计变更自动更新，并能够通过JAVA脚本实现定制化/自动化仿真流程，实现工程师之间共享和传播经验和最佳实践。基于工作流程自动化，STAR-CCM+在工作效率方面远超其他同类产品，被工业界广泛认可。

　　STAR-CCM+的一体化集成环境

　　02自动网格技术

　　除了自带3D-CAD建模功能外，STAR-CCM+能够导入市场上几乎所有主流三维建模软件的数据格式文件，并拥有包含包面，几何表面手工修复，网格质量检查等高效的前处理功能。

　　运用STAR-CCM+能够检查导入几何模型的表面错误，可手动或者通过包面技术修复CAD导入表面的穿刺、干涉、重叠、缝隙、小漏洞等错误。在工业级别的CFD应用中，前处理的网格生成部分往往占据了整个项目工作的大多数人工时间，而其中又以表面处理部分为甚。STAR-CCM+的包面（Surface Wrapper）技术可以自动地将复杂几何形体处理成完全拓扑封闭的、无任何泄漏的表面，以生成计算域的体网格。

　　此外，STAR-CCM+能够全自动进行面网格重构并生成体网格，体网格有四面体、切割体及多面体3种形式，而STAR-CCM+提倡的多面体网格更是目前CFD行业发展的一个趋势。多面体网格由于正交性较好，它既具有和六面体网格相近的精确度，也具有和四面体网格一样易于自动化生成的特点。STAR-CCM+能够直接生成多面体网格，可以对网格进行灵活操作，比如通过面网格加密或者控制体进行网格加密等。

　　STAR-CCM+自动生成建筑群计算切多面体网格

　　总之，相对于CFD其他同类软件而言，STAR-CCM+的前处理工具异常强大，自动生成网格功能将CFD人员从繁重的网格绘制工作中解放出来，节省大量时间。CFD人员可以将更多的精力用于设计与优化等更有意义的工作。

　　嵌套网格技术

　　对于因物体的变形和相对运动引起的动网格问题，STAR-CCM+提供网格变形（Morpher）和嵌套网格（Overset Mesh）两种方法。网格变形技术用于计算变形及包含运动的计算，通过类似弹簧光顺的方法来考虑网格的变形。设置参数简单，不需要对网格参数进行控制。而特有的嵌套网格技术通过多套网格之间的数值插值计算，避免了网格变形引起的网格质量下降，进而避免可能的计算发散和精度损失问题。利用动网格技术可以更加高效、便利的模拟复杂的运动和运动物体，如开关门、地铁活塞效应，电梯运行等问题。

　　列车通过隧道动画

　　03全面的物理模型

　　流动模型，传热模型（自然对流、导热、耦合传热），多相流模型，太阳辐射模型，多孔介质模型，风扇模型，换热器模型，六自由度运动等。

　　夏至/冬至建筑群日照直射辐射强度动画

　　▶ 全面的物理模型-火灾和烟雾模拟导航

　　使用被动标量器在计算域中模拟烟雾，而无需直接求解反应；

　　基于JAVA框架的GUI引导用户设置火源，屏障，通风系统，热/烟探测器和后处理；

　　使用Steckler fire和其他工具验证物理现象。

　　火灾和烟雾模拟导航界面

　　▶ 全面的物理模型-TCM热舒适导航模块

　　STAR-CCM+模拟人体模型，计算人体表面的传热量（对流、导热、辐射）将热分析结果传递到TCM。TCM热舒适导航模块嵌入STAR-CCM+界面，TIM（ThermophysiologicalOccupant Model）将人体模型简化为一个热网络基于JAVA框架的GUI向导界面，帮助客户快速设定和后处理。可以考虑热惯性，外部传热，内部导热，血液流动，蒸汽换热（出汗与呼吸）。分析可以得到人体温度分布，LMV等。

　　▶ 全面的物理模型- 多相流模型

　　STAR-CCM+ 含有丰富的多相流模型，欧拉多相流，拉格朗日多相流，多组分气体等。可以用于分析雾化、口罩过滤效果、泄洪、除霜、除雾、结露等。

　　雾化

　　干手机

　　▶ 全面的物理模型-噪音

　　应用组合的CFD工具进行气动噪音分析：

　　直接求解气动噪音，CFD直接求解压力波传递，或者求解壁面压力脉动，可以直接在Simcenter STAR-CCM+进行傅里叶转换，获得气动噪音声压级，可进一步将结果输出给Simcenter Acoustic进行声波的固体传播计算。

　　混合方法，CFD求解声源压力脉动，FW-H求解声波传递。

　　应用方向：风扇噪音：扇叶转动引起的宽频带噪音；管道噪音：湍流流动通过隔片，格栅等。

　　噪音分析

　　04内嵌设计空间探索模块

　　STAR-Innovate---嵌入在Simcenter STAR-CCM+中的优化工具，利用集成自动划分网格、流程自动化和多物理场求解器的统一平台，毫不费力的运行成百上千的参数优化。采用和专业优化工具HEEDS相同的搜索算法和策略，相对于其他方法使用更少的计算评估得到更优的设计，无需参数筛选，无需专业知识。

　　局部送风口优化动画

　　05丰富的后处理有效可视化

　　逼真地再现复杂的几何细节，精确呈现多物理场/多学科结果；通过高性能可视化功能快速做出设计决策；加强所有各级利益相关者对结果的了解，通过模拟进行设计空间探索。

　　例如人员舒适性，仅仅得到温度和速度的分布是不够的，STAR-CCM+还能够做自动进行下列分析：平均辐射温度，PMV，PDD，平均空气龄，局部换气性能指数，有效吹风温度，气流分布性能指数等。

　　房间通风

　　3、STAR-CCM+行业应用

　　（1）剧场内温度场计算

　　在伦敦大剧场的改造中，Arup被指定为这个100年的建筑设计一套新的通风系统，以改善剧场内的舒适度。剧场内的空气流动非常复杂，有各种影响因素，如喷口的动能、浮力以及空气与墙面温差等等，需要了解这些因素的作用，以此来指导设计。

　　Arup使用STAR-CCM+来研究剧场内的气流组织，并对各种通风方案的效率进行比较。最终，Arup的新通风系统设计与原有的系统完全不一样，大大提高了剧场内观众的舒适度。

　　剧院内速度分布

　　（2）建筑风环境、风荷载分析

　　环境中风的状况直接影响着人们的生活，而风环境的状况不仅仅与当地气候有关，还与建筑物的体型、布局等因素有关。如果在规划设计的初期就对建筑物周围风环境进行分析，并对规模设计方案进行优化,将有效地改善建筑物周围的风环境，创造舒适的室外活动空间。针对上述问题，应用计算流体力学软件模拟不同建筑物外形、尺寸、间距及不同来流角度情况下建筑物周围风场分布，以及建筑外立面的风压，为规划工程师和结构工程师提供理论依据。

　　伦敦核心区建筑群风环境

　　伦敦核心区高层建筑迎风立面压力分布

　　（3）火灾和烟雾扩散分析

　　地铁站和隧道一般鉴于地下，基本与大气相隔绝。地铁站具有：人员密度大，出入口少，设备繁多等特点。一旦发生火灾，烟气会迅速扩散至整个车站，造成群死群伤事故。

　　热量与烟气容易聚集：地铁站一般位于地下，不能像建筑火灾一样通过门窗进行排烟排热。另外一方面，墙壁另一侧是土壤和岩石，换热困难。所以热和烟气都难有效排出。

　　该示例显示了地铁站发生的火灾。三分钟后，在站的顶部打开通风装置。火灾发生3分钟后开启地铁站顶部通风系统，有效降低二层温度。使得乘客有足够的时间来撤离。消除了对更昂贵的通风系统的潜在需求。

　　地铁内烟气扩散

　　地铁内温度扩散

　　（4）管路压降优化

　　北美电力公司制造管道和管道的公司通常需要确保一定程度的压力，因为空气或其他流体流过它们（即，最小化压降）。他们使用CFD模拟来确定与特定配置相关的压力水平。转向叶片通常在管道改变尺寸或方向的位置引入，以帮助管理弯道周围的流动或通过膨胀/收缩区域。但是，在每次更改后手动更改几何配置并重新运行模拟很慢，这减少了可以使用CFD虚拟测试的配置数量（如果认为更多模拟必不可少，甚至可能延长产品开发周期）。

　　最大限度地减少压降；约束条件：压力，几何形状的限制；设计变量：转向叶片的数量，转动叶片半径；

　　快速探索2个设计参数对结果的影响：转向叶片数量（1~10片），转向叶片半径（0.1m~0.5m），保持上游压力的情况下，获得最小化压降。

　　使用Design Manager中的STAR-Innoviate优化算法扫描两个设计参数不同组合方案的流场结果。确定设计结果的帕累托锋面，最大限度的减少固定质量流量下的转弯处压降。

　　管路压力

　　（5）夏天、冬天空调送风优化

　　冬季北京主要以暖气自然对流为主，夏季空调为主。暖气、空调进出风口的布局对于人员舒适性，房间内的空气流动的均匀性，加热制冷的效率等都有着重要的影响。而单个方案的验证往往无法找到最优的设计方案，STAR-CCM+中的Design Manager可以通过参数化设计方案的自动阵列式求解，快速获得所有方案的求解结果，方便方案比选，获得最优解。

　　空调位置对夏天室内温度分布影响优化动画

　　冬天、夏天空调送风口位置对室内温度分布的影响动画

　　（6）其他应用

　　钻井平台：STAR-CCM+还可以模拟主流风向下的钻井平台风浪环境下的平台稳定性、气流组织、有毒气体泄漏污染扩散等计算等。

　　钻井平台污染物扩散动画

　　热岛：由于城市建筑群密集、柏油路和水泥路面比郊区的土壤、植被具有更大的吸热率和更小的比热容，使得城市地区升温较快，并向四周和大气中大量辐射，造成了局部温度过高。STAR-CCM+包含完整的强制对流、自然对流、导热、辐射（包含太阳辐射）模型。通过仿真优化建筑造型面提升建筑周边的热舒适性，调整建筑群布局降低热岛效应，调整绿地和遮阳设施，塑造城市中的绿岛。

　　不同遮阳下的大型建筑场馆内的温度

　　积灰：STAR-CCM+自带Incident Mass flux函数，表征颗粒在固体壁面堆积质量流率，通过稳态计算即可得到单位时间内的积尘量，然后直接换算成一段时间内的积尘量去和实验进行对标，并通过修改颗粒在固体表面的吸附反弹比例等参数获得标定模型。

　　积灰位置和单位时间积灰厚度

　　自然对流烟囱效应应用：建筑通风，冷却塔，太阳塔工程。利用建筑内部空气的热压差来实现建筑的自然通风，热空气密度低上升，在建筑上部设排风口可将污浊的热空气从室内派出所而室外，新鲜的冷空气则从建筑底部被吸入。

　　烟囱效应

　　4、总结

　　建筑行业的发展伴随着人类活动的整个历程，从崇尚概念到回归技术和自然的客户需求。随着生活水平的提高，人们更加强烈地追求健康、舒适的生活方式。从“居者有其屋”到“居者优其屋”，人们逐渐开始关注居住的绿色生态环境和健康性能指标，CFD仿真在提升建筑性能的同时，为住户带来实际利益，降低用户的采暖空调能耗，提高舒适性，提高用户的室内外空气品质。STAR-CCM+作为一款专业通用流体软件，将作为建筑行业的腾飞的翅膀，为您带来技术和收益的腾飞。