VirtualFlow | 城市建筑群风场模拟
城市中街道风与街道的走向密切相关，当风向与街道走向相一致时，街道峡谷犹如变窄的通道，风受到不同方向的挤压，加速穿过街区，这样街区的“狭管效应”就制造出强风。如果街道的宽度比较窄的话，风大时，强大的乱流涡旋风再加上升降气流就形成了街道风暴，殃及行人。
目前，城市风场数据的获取通常分为实验方法和数值方法，其中实验方法又分为实测法和风洞法。相较于数值方法，实测法和风洞法都存在测试周期长和成本高的缺点（实测法需要大量人力物力来面对上千平方公里的城市区域；风洞法则面临模型成本，传感器成本，风洞试验台成本等），对比下来数值方法优势明显，不过数值方法也存在这诸多难点需要克服。
数值模拟难点分析
模型简化
数值模拟城市风场，首先要解决城市面积大、建筑物数量多的问题。
以深圳市为例，总面积1997.47平方千米，建成区面积927.96平方千米（百度百科），再加上深圳市城镇化水平高，建筑物体量是巨大的。在整个城市的风场分析中，受限于网格数量的限制，在不影响整体流态的前提下，需要对模型进行简化，具体是通过建筑群的合并，消除建筑物间的间隙。
目前主要通过判断建筑物间距和建筑物高度的比值，从而决定是否可以进行合并。但该方法带来的问题是：需要在提取建筑物模型上进行修改，重新建立CAD模型，再导入CFD软件进行计算，存在一定的工作量，适用于小面积建筑群。或者，使用者可以通过编程方法，通过软件自动判断间距比，实现模型自动重构，不过这种方法对使用者存在一定门槛。
计算域离散
模型简化问题解决后，还存在网格问题。
如果使用贴体网格，需要对所有建筑物进行网格划分，并根据需要设置合理的边界层网格，对于大面积建筑群显然是不便的。
模型建立与前处理
城市建筑物模型
深圳市华强北地铁附近街景
根据地图信息提取建筑群几何模型
前处理
相比其它CFD软件，VirtualFlow采用浸入网格表面技术（IST），对计算域整体划分笛卡尔网格，然后直接将建筑群浸入到计算域中。VirtualFlow会根据距离函数捕捉气固界面，对远场设置稀疏网格，对关注区域进行局部加密，从而控制网格数量。
城市建筑群几何模型导入后自动生成网格
数值计算
求解设置
分类 | 参数设置 | |
计算域边界距最近建筑距离 （H为最高建筑楼高） | 入口 | 4*H |
出口 | 4*H | |
高度 | 3*H | |
左右 | 3*H | |
网格数量 | 320万 | |
湍流模型 | k-ε | |
入口速度 | 20m/s | |
求解时间 | 100s | |
时间步长 | 0.1s | |
说明：为演示需要，计算域范围适当缩小、入口速度适当加大以加快计算。实际应保持前后、左右、上方5H的距离，风速应设置为2-3m/s，且服从指数分布。
计算域
计算域
VirtualFlow模拟结果
建筑物表面压力随时间变化
采用VirtualFlow计算得到建筑物表面压力随时间变化结果：
建筑物表面压力随时间变化
如需要进一步分析建筑物受力情况，还需要对建筑物进行分楼层压力积分，获取各个楼层所受合力在x、y、z三个方向上的分量。如下图所示，通过VirtualFlow计算得到整个建筑物表面压力，选取其中一层楼进行分析，得到单层楼合力，后续可进行结构分析。
建筑物受力分析
建筑物周围流线
建筑物周围流场
建筑物周围流速
建筑物周围流速
VirtualFlow
使用VirtualFlow计算城市风场的一大优势在于其使用的IST网格技术，不需要因为模型复杂而进行繁复的前处理工作，即可进行CFD计算，意义在于：
■ 可为市政设计提供丰富的流场信息；
■ 可在风场基础上加入污染源，研究污染物扩散；
■ 可为进一步结构分析提供准确压力载荷数据。
