城市多尺度风环境数值模拟方法与流程
本公开涉及城市风环境分析领域，尤其涉及一种城市多尺度风环境数值模拟方法。
背景技术：
目前，我国正处于城市化发展的加速阶段，由于人口众多、土地稀缺，人均资源相对匮乏，导致城市发展不得不采用高强度开发的模式。在这种开发模式影响下，城市热岛效应不断增强，大气污染严重，雾霾天气频发。导致空气质量严重恶化的原因除了工厂排放大气污染源所导致外，还由于城市布局造成的静风及涡流等风环境的问题，它致使污染物难于扩散，促使高浓度污染空气的形成，影响了城市局部地区的大气质量。因此，通过控制城市气流，提高城市通风效率，优化微气候环境，已成为解决这些问题的重要手段。
目前分析城市风环境的三种主要方法分别是现场实测、风洞实验和计算机数值模拟。实地测量方法极易受到长期观测数据获取的限制，在面对未来的城市规划中，很难应用取得实测的风速资料。风洞实验缩比尺模型研究试验法具有模型制作成本高、周期长、难以同时研究不同方案等特点，耗时费力，一般只运用在研究特殊的的建筑单体或小建筑群体风压、风速与气流流场变化等城市物理参数研究中。
为了适应这一限制，实际研究中，往往将研究区的建筑群从现实的周边环境中单独分离出来，把它放到数值模拟的计算域中，采用的气象台提供的风向、风速等原始数据并进行模拟研究。即使是计算能力比较强的工作站，在城市级的大范围风环境研究中，为了减少计算的工作量，往往将外围的地形或周边的建筑去除，单独将待研究城市范围放入计算域范围进行研究。
基于上述现有技术中还存在以下问题：其一，局部环境的模拟与所输入的边界条件与实际的风场环境不对应。由于街区的局部环境处于周边建筑环境影响下，如直接采用气象台的原始风场数值设定边界条件，就会由于边界条件不符合实际风场，继而使模拟结果不够准确的缺陷。其二，如采用城市全域加密网格的方法模拟，将导致计算量巨大，一般通用计算机甚至工作站都难于满足巨大的计算量要求。其三，在研究多风向条件下，模拟的模型必须重复建造、极大增加建模工作量，进而限制了对诸多实际问题的多方案数模优化研究。
技术实现要素：
(一)要解决的技术问题
本公开提供了一种城市多尺度风环境数值模拟方法，以至少部分解决以上所提出的技术问题。
(二)技术方案
根据本公开的一个方面，提供了一种城市多尺度风环境数值模拟方法，包括：步骤s100：生成以城市为中心的圆形的城市地形模型，并通过模型镶嵌将城市建筑群模型嵌入城市地形模型中，建立待加工的广域城市整体模型；步骤s200：自步骤s100中通过布尔减运算提取广域城市整体模型，通过外圆内方的形式分割广域城市模型并进行模拟；步骤s300：自步骤s200中提取镶嵌局域街区模型，并对边界进行插值，为局域街区模型提供准确的风环境边界条件并进行模拟。
在本公开的一些实施例中，步骤s100包括：步骤s110：生成以目标城市为中心的圆形的城市地形模型；步骤s120：为城市建筑群进行建模，生成城市建筑群模型；步骤s130：将步骤s110生成的圆形的城市地形模型与步骤s120生成的城市建筑群模型进行布尔运算加运算，得到广域城市整体模型。
在本公开的一些实施例中，步骤s200还包括：步骤s210：建立高度为5-6h圆台，其中，h为城市建筑最大高度；步骤s220：进行布尔运算减运算包括：用步骤s210建立的圆台减去城市地形模型和城市建筑群模型；步骤s230：划定矩形区域，框定城市范围；步骤s240：将步骤s220和步骤s230得到的结果进行布尔运算，通过以外圆内方的形式分割的广域城市整体模型；步骤s250：对步骤s240分割后的广域城市整体模型进行模拟。
在本公开的一些实施例中，步骤s300包括：步骤s310：定义局域街区模型的计算边界；步骤s320：计算城市整体模型中的插值，并将插值镶嵌到局域街区模型边界中；步骤s330：利用已插值好的边界条件，设置模拟条件，对局域街区模型进行数值模拟。
在本公开的一些实施例中，步骤s200还包括：步骤s260：对步骤s250得到的广域城市整体模型进行网格划分。
在本公开的一些实施例中，步骤s300还包括：步骤s340：对步骤s330得到的局域街区模型进行网格划分。
在本公开的一些实施例中，步骤s110中生成以目标城市为中心的圆形的城市地形模型，还包括：步骤s111：建立能够将目标城市包括在内的最小圆周；步骤s112：将步骤s111得到的最小圆周的面积乘以最大阻塞率倒数，得到与步骤s111中的最小圆周同心的圆周面积，作为城市地形模型计算平面范围；其中，最大阻塞率小于5％。
在本公开的一些实施例中，步骤s250还包括：步骤s260：对步骤s250得到的广域城市整体模型采用通用流速边界设置。
在本公开的一些实施例中，步骤s320中的插值为流速场、压力场和ke中一个或多个。
在本公开的一些实施例中，步骤s250或步骤s330中，采用k-ε双方程模型，初始化计算域的场流，并进行数值模拟计算；k-ε双方程模型包括：
连续方程
动量方程
k方程
e方程
其中，
(三)有益效果
从上述技术方案可以看出，本公开城市多尺度风环境数值模拟方法至少具有以下有益效果其中之一或其中一部分：
(1)采用圆形计算域配合通用的边界条件设置，可利用一次性产生的城市整体网格，在只改变入流风速大小及方向前提下，只要改变入流的风速的分量即可，不需要重新划分网格，可极大地提高多工况，多角度风速的模型研究效率。
(2)采用模型镶嵌和插值边界的方法，避免了传统模拟方法中由于入流边界受周边建筑群影响，不满足指数或对数垂线流速分布问题。
(3)本公开直接从城市整体模型中得到边界插值，为一个或多个局域模型提供准确的边界条件，比传统方法出流采用无梯度假定或侧边界采用对称边界假定更为科学。
(4)本公开分阶段的模拟方法，在避免带上外围环境的条件下，需精确模拟的局部环境可以单独划定计算域，范围大小完全可控，这样就使局部模拟时不受网格总数限制，在网格划分时尽量照顾到建筑物或街区的细节，进而极大提高模拟的准确性，从而有效解决了传统方法中城市整体模型建模复杂，效率低，而局域模型模拟时由于边界条件设定无法考虑周边建筑对风场的影响，进而模拟结果出现与实际风场不符的问题。
附图说明
图1为本公开实施例城市多尺度风环境数值模拟方法的示意图。
图2为本公开实施例北方某城市多尺度风环境数值模拟方法流程框图。
图3为在不同地面粗糙度形成的梯度风变的示意图。
图4为本公开实施例中北方某城市建筑群三维建模场景图。
图5为本公开实施例中北方某城市整体模型计算域划分示意图。
图6a为本公开实施例中北方某城市整体模型网格划分整体效果图。
图6b为本公开实施例中北方某城市整体模型网格划分局部明细图。
图7a为本公开实施例中北方某城市整体模拟风速场平面图。
图7b为图7a中对应的高度三维分布图。
图8a为本公开实施例中北方某城市整体模拟压力场平面图。
图8b为图8a中对应的高度三维分布图。
图9为本公开实施例局域街区模型在广域城市整体模型中位置标示图。
图10为本公开实施例局域街区模型的局部网格划分示意图。
图11为本公开实施例中局域街区模型的近地/近建筑物表面风速场示意图。
图12为本公开实施例中局域街区模型在5米高程水平截面风速场示意图。
图13为本公开实施例中局域街区模型在5米高程水平截面压力场示意图。
具体实施方式
本公开提供了一种城市多尺度风环境数值模拟方法，包括：步骤s100：生成以城市为中心的圆形的城市地形模型，并通过模型镶嵌将城市建筑群模型嵌入城市地形模型中，建立广域城市整体模型；步骤s200：自步骤s100中通过布尔减运算提取广域城市整体模型，通过外圆内方的形式分割广域城市模型并进行模拟；步骤s300：自步骤s200中提取镶嵌局域街区模型，并对边界进行插值，为局域街区模型提供准确的风环境边界条件并进行模拟。本公开采用嵌套模型方法可在大尺度的城市整体模拟中，避免采用不合理的入流边界假定，直接在城市宏观风场模拟后，为局域街区模型提供合理的流速边界；同时，由于采用了城市整体模型采用圆形的边界形式，对不同风速方向可采用同一套网格，极大地减轻建模及网格多次划分的工作量。
需要事先阐明的是，数值模拟是利用计算流体力学理论cfd软件(例如ansys-flueunt,star-ccm和flow3d等)进行风环境模拟的方法，它具有快速简便、准确有效、对人力物力耗费相对较小、结果直观等优点而被广泛应用。cfd数值模拟方法能通过对城市形态的风环境模拟，剖析城市形态与风环境的耦合关系，提供可视化、图像化的全过程，为系统、科学的认识和深入了解城市风环境规律，提供了有力的支撑。
但是，由于cfd对城市或建筑模拟过程中，计算域需扩大所选在所研究区域的10-15倍范围，受一般计算机运算能力的限制，目前的cfd数值模拟软件一般只适用于中小尺度(数公顷到数十平方千米)。为了适应这一限制，实际研究中，往往将研究区的建筑群从现实的周边环境中单独分离出来，把它放到数值模拟的计算域中，并采用的气象台提供的风向、风速等原始数据并进行模拟研究。即使是计算能力比较强的工作站，在城市级的大范围风环境研究中，为了减少计算的工作量，往往将外围的地形或周边的建筑去除，单独将待研究城市范围放入计算域范围进行研究。
为使本公开的目的、技术方案和优点更加清楚明白，以下结合具体实施例，并参照附图，对本公开进一步详细说明。
本公开某些实施例于后方将参照所附附图做更全面性地描述，其中一些但并非全部的实施例将被示出。实际上，本公开的各种实施例可以许多不同形式实现，而不应被解释为限于此数所阐述的实施例；相对地，提供这些实施例使得本公开满足适用的法律要求。
在本公开的第一个示例性实施例中，提供了一种城市多尺度风环境数值模拟方法。如图1所示，本公开城市多尺度风环境数值模拟方法包括：
步骤s100：生成以城市为中心的圆形的城市地形模型，并通过模型镶嵌将城市建筑群模型嵌入城市地形模型中，建立待加工的广域城市整体模型。
步骤s200：自步骤s100中通过布尔减运算提取广域城市整体模型，通过外圆内方的形式分割广域城市模型并进行模拟。
步骤s300：自步骤s200中提取镶嵌局域街区模型，并对边界进行插值，为局域街区模型提供准确的风环境边界条件并进行模拟。
以下结合图2对本公开的具体实施方法作进一步描述，本实施例采用的ansys-fluent软件进行模拟。采用ansys-fluent是由于它可以与sketchup或其它cad建模软件等无缝链接。稍作调整本公开技术方案同样适用其他cfd软件。本公开采用嵌套模型方法可在大尺度的城市整体模拟中，避免采用不合理的入流边界假定如图3，直接在城市宏观风场模拟后，为局域街区模型提供合理的流速边界；同时，由于采用了城市整体模型采用圆形的边界形式，因此对不同风速方向可采用同一套网格，极大地减轻建模及网格多次划分的工作量。下面以某城市整体模型局域环境模拟为例，进行具体说明：
步骤s100可进一步细化包括：
步骤s110：生成以目标城市为中心的圆形的城市地形模型。由于风环境模拟计算区域的大小直接与模拟结果的真实性密切相关，模拟区域小流场会失真，但过分增大计算区域，造成网格数多，计算量和成本加大等问题。因此，圆形计算域大小在满足最大阻塞率小于5％的指标的要求，并在该满足该条件下取最小值。应该说明的是，阻塞率指模拟风向方向的建筑投影面积与计算域的自由截面之比。采用圆形的是一种有别于传统计算域划分的方法，由于风环境模拟通常要进行多方案多角度入流角度风比较，通常的建模及网格生成会占用相当多的时间和精力。采用圆形计算域可以有效避免采用传统模拟方法因来流方向的不同，需反复建造不同数值模型的弊端，从而极大提升了计算效率。具体实施中主要采用sketch软件对某城市地形及建筑群进行三维建模。根据google-earth建筑平面位置和e都市建筑群的建筑物高度数据，如图4所示。
步骤s120：为城市建筑群进行建模，生成城市建筑群模型。
步骤s130：将步骤s110生成的圆形的城市地形模型与步骤s120生成的城市建筑群模型进行布尔运算加运算，得到广域城市整体模型。
具体的，步骤s200包括：
步骤s210：建立高度为5-6h圆台，其中，h为城市建筑最大高度。
步骤s220：进行布尔运算减运算包括：将步骤s210建立的圆台减去城市地形和建筑三维实体，得到包括城市空间的三维实体的风环境模拟模型。
步骤s230：划定矩形区域，框定城市范围。需要注意的是，实际框定的矩形范围可比城区实际范围大百分之十左右。
步骤s240：将步骤s220和步骤s230得到的结果进行布尔运算，通过以外圆内方的形式分割的广域城市整体模型，得到包括城市空间的三维实体的矩形计算域和外围的外圆内方的风环境模拟模型。
如图5所示，对步骤s240后对城市空间的三维实体计算域进行网格划分，主要运用容易操作的四面体网格，并利用边界层方法控制行人高度的网格数。即为了精确模拟近地风场的梯度变化，在接近地面约2米范围内采用边界层网格技术。进一步地，对步骤s240网格划分，主要运用边界层网格划分技术，控制第一个网格高度和相邻网格的尺寸放大比例(不大于1.2)，这样在靠近地面下垫面保证了风速延垂线分布能按对数率或指数率分布。因此，这一步的主要目的是得到宏观流场并为局域高精度模拟提供边界条件，如图6a、图6b所示。
步骤s250：对步骤s240分割后的广域城市整体模型进行模拟。具体采用k-ε双方程模型，初始化计算域的场流，并进行数值模拟计算；k-ε双方程模型包括：
连续方程
动量方程
k方程
e方程
其中，
步骤s300：自步骤s200城市空间的三维实体空间中提取镶嵌局域街区模型(局域街区模型还可以通过在广域城市整体模型的范围内单独进行几何建模得到)，如图9所示，并对边界进行插值，为局域街区模型提供准确的风环境边界条件并进行模拟。还包括：
步骤s310：定义局域街区模型的计算边界。应该注意的是，设计计算边界时应尽量采用广域城市整体模型差值容易识别的边界名字。例如：用东南西北边界或对应街区名字。
步骤s320：计算城市整体模型中的三维内流速场，压力场和ke等插值，并将插值镶嵌到局域街区模型边界中。
步骤s330：打开ansys-fluent调入局域街区模型网格利用已插值好的边界条件，并设置好其它模拟条件，对局域街区模型进行数值模拟。具体模拟方法可以参考步骤s250中提供的k-ε双方程模型，在此不再赘述。模拟结果如图7a、图7b、图8a和图8b所示，将初步模拟结果用fluent插值模式输出拟精确模拟的外部文件中。
步骤s340：对步骤s330得到的局域街区模型进行网格划分。
针对所确定的研究目标有针对性地细分网格，如图10所示。比如进行行人对风的舒适度研究，可以将建筑物表面和地表加入边界层。对建筑物轮廓对涡流的影响则可以建筑物外轮廓局部范围网格进行加密。
定义局域街区模型的计算边界，设定时尽量采用城市整体模型插值容易识别的边界名字。
将调入城市整体模型的已准备好模拟三维结果进行插值到调入局域街区模型边界上。
设置好其它模拟条件，对局域街区模型进行数值模拟，对局域街区模型结果进行后处理分析及报告。如图11-图13所示。
至此，已经结合附图对本公开实施例进行了详细描述。需要说明的是，在附图或说明书正文中，未绘示或描述的实现方式，均为所属技术领域中普通技术人员所知的形式，并未进行详细说明。此外，上述对各元件和方法的定义并不仅限于实施例中提到的各种具体结构、形状或方式，本领域普通技术人员可对其进行简单地更改或替换。
依据以上描述，本领域技术人员应当对本公开城市多尺度风环境数值模拟方法有了清楚的认识。
综上所述，本公开提供一种城市多尺度风环境数值模拟方法，采用嵌套模型方法可在大尺度的城市整体模拟中，避免采用不合理的入流边界假定，直接在城市宏观风场模拟后，为局域街区模型提供合理的流速边界；同时，由于采用了城市整体模型采用圆形的边界形式，对不同风速方向可采用同一套网格，极大地减轻建模及网格多次划分的工作量。
除非有所指明为相反之意，本说明书及所附权利要求中的数值参数是近似值，能够根据通过本公开的内容所得的所需特性改变。具体而言，所有使用于说明书及权利要求中表示组成的含量、反应条件等等的数字，应理解为在所有情况中是受到「约」的用语所修饰。一般情况下，其表达的含义是指包含由特定数量在一些实施例中±10％的变化、在一些实施例中±5％的变化、在一些实施例中±1％的变化、在一些实施例中±0.5％的变化。
再者，单词“包含”不排除存在未列在权利要求中的元件或步骤。位于元件之前的单词“一”或“一个”不排除存在多个这样的元件。
此外，除非特别描述或必须依序发生的步骤，上述步骤的顺序并无限制于以上所列，且可根据所需设计而变化或重新安排。并且上述实施例可基于设计及可靠度的考虑，彼此混合搭配使用或与其他实施例混合搭配使用，即不同实施例中的技术特征可以自由组合形成更多的实施例。
在此提供的算法和显示不与任何特定计算机、虚拟系统或者其它设备固有相关。各种通用系统也可以与基于在此的启示一起使用。根据上面的描述，构造这类系统所要求的结构是显而易见的。此外，本公开也不针对任何特定编程语言。应当明白，可以利用各种编程语言实现在此描述的本公开的内容，并且上面对特定语言所做的描述是为了披露本公开的最佳实施方式。
本公开可以借助于包括有若干不同元件的硬件以及借助于适当编程的计算机来实现。本公开的各个部件实施例可以以硬件实现，或者以在一个或者多个处理器上运行的软件模块实现，或者以它们的组合实现。本领域的技术人员应当理解，可以在实践中使用微处理器或者数字信号处理器(dsp)来实现根据本公开实施例的相关设备中的一些或者全部部件的一些或者全部功能。本公开还可以实现为用于执行这里所描述的方法的一部分或者全部的设备或者装置程序(例如，计算机程序和计算机程序产品)。这样的实现本公开的程序可以存储在计算机可读介质上，或者可以具有一个或者多个信号的形式。这样的信号可以从因特网网站上下载得到，或者在载体信号上提供，或者以任何其他形式提供。
类似地，应当理解，为了精简本公开并帮助理解各个公开方面中的一个或多个，在上面对本公开的示例性实施例的描述中，本公开的各个特征有时被一起分组到单个实施例、图、或者对其的描述中。然而，并不应将该公开的方法解释成反映如下意图：即所要求保护的本公开要求比在每个权利要求中所明确记载的特征更多的特征。更确切地说，如下面的权利要求书所反映的那样，公开方面在于少于前面公开的单个实施例的所有特征。因此，遵循具体实施方式的权利要求书由此明确地并入该具体实施方式，其中每个权利要求本身都作为本公开的单独实施例。
以上所述的具体实施例，对本公开的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，所应理解的是，以上所述仅为本公开的具体实施例而已，并不用于限制本公开，凡在本公开的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本公开的保护范围之内。
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