[科普中国]-数值风洞

定义

数值风洞，就是在计算机上做风洞试验。它基于计算流体动力学（CFD）原理，选择合适的空气湍流数学模型，再结合一定的数值算法和图形显示技术，能够将“风洞”结果形象、直观地显示出来。相比于传统的模型试验方法，数值风洞计算周期短、价格低廉、数据信息丰富、并且可方便模拟各种不同情况。

又可称为计算风工程（Computing Wind Engineering，或CWE)是结构风工程中极具前景的一个方向，也是当前国际风工程研究的一个热点。

背景然而，风荷载作用的重要参量——风压分布和流场干扰等问题往往不能通过规范解决。传统做法是将建筑模型放入风洞中进行模拟试验，得出风荷载相关数据，作为设计依据，用于工程设计。而风洞试验存在成本高、周期长、灵活性差、有缩尺效应等缺点。是否存在一种新的方法，可代替或补充这种传统的设计手段呢？ 国际上的流行做法是引入“数值风洞”技术。

核心内容计算风工程的核心内容是计算流体动力学（Computational Fluid Dynamics，或CFD）,计算流体动力学在风工程中的应用已得到迅速发展。

优越性计算风工程又称数值风洞方法，它与直接的风洞实验相比较，有它的优越性：

1）具有模拟真实风环境的能力，这样可以按实际的风环境进行仿真和模拟；

2）可以构建原型尺度的计算模型，避免了风洞试验只能进行缩尺实验的不足。

随着计算机技术的迅速发展，数值模拟技术在飞机研制和设计过程中所起的作用发生了革命性变化。数值风洞系统的出现就是这种变化的集中体现与真实风洞相比，数值风洞在某些方面具有明显的优势：

1）飞机几何外形数据前置处理在采用了先进的网格生成技术，数据库技术和交互图形技术后，变得灵活。方便前置几何处理。与风洞吹风模型制作相比，周期缩短，费用大大降低。

2）风洞模型的吹风过程耗时耗财，而数值风洞所采用的集成。在计算机软硬件技术迅猛发展的今天，速度变得越来越快，并能节省大量费用。模拟复杂流动的算法无论在方法的多样性和几何拓扑的复杂性方面都已逐步走向成熟。

3）吹风过程中的数据采集由于受到风洞模型形状和尺寸的限制。模型上的采集点分布难尽人意，而且流场空间采集点或流场观察介质施放往往会对流场形成干扰。而数值风洞的数据点可以任意选取，且数值风洞可以完全排除包括洞壁干扰和支架干扰在内的物理干扰。2

系统结构数值风洞系统以求解器计算结果为依据，以用户界面。网络数据库技术为系统组织工具，先进的数据可视化技术为系统提供重要的数据分析。研究和比较手段求解器子系统由多个先进，成熟的飞机气动计算程序构成系统的各部门从逻辑上分为客户程序和服务程序，驻留客户程序的客户机和驻留服务程序的服务器之间的合作处理体现为由客户提交给服务器各种请求。服务器对这些请求进行处理并将结果返回客户。2

数值风洞是CFD数值模拟技术和高性能计算机软硬件技术紧密结合的产物，它包括硬件系统和软件系统两大部分。

数值风洞硬件系统数值风洞硬件系统是软件系统运行的平台和物质基础。由于CFD数值模拟的计算模型复杂性高，计算量巨大，现代数值风洞普遍以高性能计算机为核心构建数值风洞硬件系统，主要包括高性能计算机、高性能可视化服务器、海量数据存储设备和外围输入输出设备，以及连接各设备的网络等。

数值风洞软件系统数值风洞的软件系统也同样是数值风洞重要组成部分。数值风洞软件系统的主体，可分成4部分：前置处理系统、流场求解器、CFD数据可视化系统、网络数据库系统。但与一般的CFD数值模拟计算不同的是，数值风洞软件系统更强调各部分之间的有机联系和密切配合，强调并行计算在各个部分中的重要作用。3

发展现状气流在大气边界层中的流动属湍流，同时风工程研究的重点是钝体空气动力学，虽然计算风工程领域经过许多学者的努力，已经取得了许多成就，但至今其研究还是属于比较困难的领域，表现在建筑物或结构物总是在地表边界层内流场中存在,成为风流动中具有“纯体”的障碍物。纯体周围的流场很复杂，它由撞击（impingement）、分离（separation）、回流（reattachment）、环绕（circulation）和涡（vortices）等确定，见图1。因此计算风工程包含了当今世界上被认为是困难的所有流体动力学内容。

立方体模型周围的流场

尽管如此，计算风工程在城市和土木工程领域中的发展是很快的，由基础的研究开始逐步进入应用阶段，具体地表现在绕纯体流动的速度和压力场的分析、绕建筑物近地面步行风问题的分析、城市和区域气候分析、市区户外气候分析、绕建筑物或城区大气扩散分析，以及流体与结构气弹性耦合的基础研究等。

目前，随着湍流物理模型的发展，加之计算技术和软、硬件的飞速进步，在结构风工程领域中，对刚体建筑物壁面的平均风压及其周围风流场进行数值模拟已成为现实，国内凯德数值已完成了许多高层建筑（或高层建筑群）、大跨屋盖结构等平均风荷载的预测、建筑群风环境的模拟（如世博会园区风环境数值模拟），受到了工程界和结构设计人员的欢迎。