計算流體力學(xué)—CFD技術(shù)在土木工程的應(yīng)用淺析

摘 要：計算流體力學(xué)是基于計算機技術(shù)的一種數(shù)值計算工具， 簡稱CFD。CFD最早用于航空航天事業(yè)，后來逐漸延伸到化工、海洋、橋梁工程等多個領(lǐng)域。近年來， CFD也開始更多地應(yīng)用到房屋建筑工程中，如對于高層建筑風(fēng)場的模擬、采暖系統(tǒng)工程的模擬。CFD計算更適合于缺乏施工經(jīng)驗，施工技術(shù)不是很完整的工程， 特點鮮明，成本低、周期短、效率高，可以對實際情況進行模擬，在邊界條件處理合理的情況下，計算結(jié)果準確，可以為后續(xù)工程提供參考。

關(guān)鍵詞：計算流體力學(xué)；發(fā)展；應(yīng)用

DOI：10.16640/j.cnki.37-1222/t.2016.05.115

0 引言

計算流體力學(xué)是基于計算機技術(shù)的一種數(shù)值計算工。隨著計算機技術(shù)的不斷發(fā)展，計算流體力學(xué)在土木工程中的應(yīng)用越來越廣泛。

1 計算流體力學(xué)在工程中的主要應(yīng)用

（1）在橋梁工程中的應(yīng)用。現(xiàn)在出現(xiàn)了很多橫跨大河或者海峽的大跨度橋梁，空氣動力學(xué)的研究在橋梁工程中的應(yīng)用越來越廣泛。風(fēng)荷載的作用使橋梁會發(fā)生震顫，橋梁本身在外荷載的作用下也會產(chǎn)生顫振；如果產(chǎn)出共振，盡管在風(fēng)速并不大的情況下，共振是使橋梁發(fā)生破壞的主要原因。例如1942 美國的塔科馬海峽懸橋就在相當?shù)偷娘L(fēng)速下受激振動而倒塌。因此橋梁的顫振，是橋梁在初步設(shè)計階段到可行性研究階段非常重要的問題。而傳統(tǒng)的風(fēng)動試驗，存在模型和環(huán)境等模擬失真等問題，試驗條件也難以控制，這將會影響大跨度橋梁顫振穩(wěn)定性的正確判斷。因此，尋找流體力學(xué)研究的新手段，以便為設(shè)計者提供更準確風(fēng)的荷載影響數(shù)值。從20世紀60 年代開始，隨著計算機的出現(xiàn)，用計算機來模擬流體流動，即計算流體力學(xué)——CFD方法的出現(xiàn)，為風(fēng)工程研究提供了一種新的手段，即“數(shù)值風(fēng)洞”。通過大量的試驗，將數(shù)值風(fēng)動與傳統(tǒng)的風(fēng)洞試驗方法進行對比分析，其結(jié)果在分布規(guī)律上是一致的。

（2）計算流體力學(xué)在水利工程中的應(yīng)用。波浪對港口和海岸工程產(chǎn)生很重要的動力影響。波浪在傳播過程中，由于地形變化和水工建筑物的影響，會產(chǎn)生繞射等現(xiàn)象，使得河口海岸地區(qū)的水動力條件非常復(fù)雜，過去在河口海岸工程設(shè)計中，除了理論研究和現(xiàn)場總結(jié)經(jīng)驗外，主要藉助于水力模型試驗，解決了大量生產(chǎn)實踐中的問題。隨著海岸工程的規(guī)模不斷擴大，給水力模型試驗帶來一定的困難，也產(chǎn)生了一定的局限性。隨著電子計算機技術(shù)的不斷發(fā)展，以及分析海岸水動力現(xiàn)象的數(shù)學(xué)模型的發(fā)展，CFD在海岸工程中得到了廣泛的應(yīng)用，它結(jié)合了數(shù)值方法水動力學(xué)方面的應(yīng)用稱為“計算水力學(xué)”。比如在南海海域波浪計算中運用了波普模型，對海浪情況進行定期預(yù)報。比如對近海岸區(qū)域不規(guī)則波浪成長模型分析，找到了波浪呈周期性傳播變化的規(guī)律。比如三峽工程中，對長江中下游與上游航運的“瓶頸”現(xiàn)象進行三維仿真研究，對航運監(jiān)控系統(tǒng)的建立有重要意義。

（3）計算流體力學(xué)在建筑工程中的應(yīng)用。在房屋建筑工程中， 由于城市建設(shè)不斷向高度發(fā)展，樓宇建設(shè)而導(dǎo)致的街區(qū)小氣候問題越來越嚴重。因為高大建筑物的建設(shè)，在建成街區(qū)內(nèi)會出現(xiàn)風(fēng)口， 致使局部風(fēng)速過大， 嚴重時會影響到臨近建筑物； 由于風(fēng)速風(fēng)向改變，火災(zāi)發(fā)生時， 加速災(zāi)害傳遞的， 增加損失；還會出現(xiàn)流動遲滯現(xiàn)象， 造成局部空氣嚴重污染。應(yīng)用CFD技術(shù)可以對高大建筑群進行小氣候數(shù)值模擬，避免小氣候發(fā)生，減少環(huán)境污染和不必要的損失，提高設(shè)計質(zhì)量。我國是一個能源大國，能源危機日益顯著，利用CFD技術(shù)模擬流體流動和熱傳遞，找到流動規(guī)律，進行控制設(shè)計，對提高暖通節(jié)能，發(fā)展綠色建筑有重要意義。利用CFD技術(shù)還可以解決建筑物在強風(fēng)作用下的擺動等結(jié)構(gòu)安全性問題。

（4）計算流體力學(xué)在現(xiàn)代建筑消防設(shè)計中的應(yīng)用。當今建筑的發(fā)展是集安全、經(jīng)濟和綠色環(huán)保于一體， 因此陳舊的為保證建筑安全而制定的消防規(guī)范對建筑設(shè)計的自由發(fā)揮會產(chǎn)生諸多的限制， 從上世紀80年代末開始，一些發(fā)達國家開始加強對消防設(shè)計體制的管理，推出了“個性化”設(shè)計體系?！皞€性化”設(shè)計體系的原意為“表現(xiàn)性”設(shè)計， 它不簡單照搬以前消防設(shè)計的技術(shù)要求， 而是依據(jù)每一棟新建筑的設(shè)計和火災(zāi)原理及疏散的具情況來模擬火災(zāi)時建筑的防災(zāi)能力， 消防設(shè)計也從各個系統(tǒng)分支向總體集成發(fā)展。在模擬火災(zāi)的過程中，火災(zāi)的煙氣擴散模擬是最主要的一個分支，而煙氣擴散模擬依賴計算流體力學(xué)來實現(xiàn)，因此，計算流體力學(xué)也成為“性能化設(shè)計”的主要工具之一， 隨著現(xiàn)代計算機技術(shù)的發(fā)展， 計算流體力學(xué)在建筑消防設(shè)計中也將發(fā)揮越來越重要的角色。

2 計算流體力學(xué)的局限性

計算流體力學(xué)在應(yīng)用中也有一定的局限性：（1）如何建立準確的數(shù)學(xué)模型，確定出和流動過程相關(guān)的邊界條件，得到該過程完整的控制方程存在一定的難度；（2）在數(shù)值模擬過程中要對流動進行有限元處理，而有限元法是從求解固體力學(xué)問題發(fā)展起來的，更適合低速流動的問題，如何更好的應(yīng)用到高速流動中，有待進一步探索；（3）工程實際中存在很多湍流現(xiàn)象，湍流的難點是同一個流場中，流體質(zhì)點尺度差異過大，且湍流本身是非線性行為，現(xiàn)有理論對湍流的數(shù)值模擬存在一定的局限性。

3 結(jié)論及展望

目前，CFD研究的主要問題是計算程序的穩(wěn)定性，計算誤差和解的收斂性等， 以及CFD技術(shù)和軟件使用的成本。CFD技術(shù)在航空航天等空氣動力學(xué)領(lǐng)域取得了很大的成就，但在建筑工程中CFD的應(yīng)用起步相對較晚，CFD與建筑工程相結(jié)合的過程中，需要處理復(fù)雜的流動現(xiàn)象， 即使是所謂的通用CFD軟件， 也不是適合于所有流體力學(xué)問題，需要我們根據(jù)研究的對象做準確的選擇。盡管有缺點， 作為一個新學(xué)科，CFD必然日趨成熟， 并且將在建筑領(lǐng)域獲得更廣泛的應(yīng)用，為一些未知的領(lǐng)域提供技術(shù)參考。

參考文獻：

[1]傅曉英，劉俊，許劍峰，羅麟.計算流體力學(xué)在城市規(guī)劃設(shè)計中的應(yīng)用研究[J].四川大學(xué)學(xué)報，2002（P63），P65.

[2]林秉南.流體力學(xué)在我國水利工程中的一些應(yīng)用[J].災(zāi)害學(xué)，2010：P271-273.

[3]李家春.現(xiàn)代流體力學(xué)發(fā)展的回顧與展望[J].力學(xué)進展，1995：P151-158.

[4]金杉，莊達民，張向陽.計算流體力學(xué)在現(xiàn)代建筑消防設(shè)計中的應(yīng)用[J].建筑技術(shù)，2011：P174.

[5]陳耀松，單肖文，陳滬東.計算流體力學(xué)的新方向及其在工業(yè)上的應(yīng)用[J].中國科學(xué)，2007：P54-57.

[6]董葒.建筑工程中的計算流體力學(xué)[J].山西建筑，2007：P362-263.

作者簡介：張愛玲（1977-），女，河北保定人，碩士，講師，研究方向：固體力學(xué)。