基本介紹
- 中文名：數值風洞
- 外文名：Computing Wind Engineering
- 別名：計算風工程
- 優越性：模擬真實風環境的能力等
定義,背景,核心內容,優越性,系統結構,數值風洞硬體系統,數值風洞軟體系統,發展現狀,
定義
數值風洞，就是在計算機上做風洞試驗。它基於計算流體動力學（CFD）原理，選擇合適的空氣湍流數學模型，再結合一定的數值算法和圖形顯示技術，能夠將“風洞”結果形象、直觀地顯示出來。相比於傳統的模型試驗方法，數值風洞計算周期短、價格低廉、數據信息豐富、並且可方便模擬各種不同情況。
又可稱為計算風工程（Computing Wind Engineering，或CWE)是結構風工程中極具前景的一個方向，也是當前國際風工程研究的一個熱點。
背景
然而，風荷載作用的重要參量——風壓分布和流場干擾等問題往往不能通過規範解決。傳統做法是將建築模型放入風洞中進行模擬試驗，得出風荷載相關數據，作為設計依據，用於工程設計。而風洞試驗存在成本高、周期長、靈活性差、有縮尺效應等缺點。是否存在一種新的方法，可代替或補充這種傳統的設計手段呢？ 國際上的流行做法是引入“數值風洞”技術。
核心內容
計算風工程的核心內容是計算流體動力學（Computational Fluid Dynamics，或CFD）,計算流體動力學在風工程中的套用已得到迅速發展。
優越性
計算風工程又稱數值風洞方法，它與直接的風洞實驗相比較，有它的優越性：
1）具有模擬真實風環境的能力，這樣可以按實際的風環境進行仿真和模擬；
2）可以構建原型尺度的計算模型，避免了風洞試驗只能進行縮尺實驗的不足。
隨著計算機技術的迅速發展，數值模擬技術在飛機研製和設計過程中所起的作用發生了革命性變化。數值風洞系統的出現就是這種變化的集中體現與真實風洞相比，數值風洞在某些方面具有明顯的優勢：
1）飛機幾何外形數據前置處理在採用了先進的格線生成技術，資料庫技術和互動圖形技術後，變得靈活。方便前置幾何處理。與風洞吹風模型製作相比，周期縮短，費用大大降低。
2）風洞模型的吹風過程耗時耗財，而數值風洞所採用的集成。在計算機軟硬體技術迅猛發展的今天，速度變得越來越快，並能節省大量費用。模擬複雜流動的算法無論在方法的多樣性和幾何拓撲的複雜性方面都已逐步走向成熟。
3）吹風過程中的數據採集由於受到風洞模型形狀和尺寸的限制。模型上的採集點分布難盡人意，而且流場空間採集點或流場觀察介質施放往往會對流場形成干擾。而數值風洞的數據點可以任意選取，且數值風洞可以完全排除包括洞壁干擾和支架干擾在內的物理干擾。
系統結構
數值風洞系統以求解器計算結果為依據，以用戶界面。網路資料庫技術為系統組織工具，先進的數據可視化技術為系統提供重要的數據分析。研究和比較手段求解器子系統由多個先進，成熟的飛機氣動計算程式構成系統的各部門從邏輯上分為客戶程式和服務程式，駐留客戶程式的客戶機和駐留服務程式的伺服器之間的合作處理體現為由客戶提交給伺服器各種請求。伺服器對這些請求進行處理並將結果返回客戶。
數值風洞是CFD數值模擬技術和高性能計算機軟硬體技術緊密結合的產物，它包括硬體系統和軟體系統兩大部分。
數值風洞硬體系統
數值風洞硬體系統是軟體系統運行的平台和物質基礎。由於CFD數值模擬的計算模型複雜性高，計算量巨大，現代數值風洞普遍以高性能計算機為核心構建數值風洞硬體系統，主要包括高性能計算機、高性能可視化伺服器、海量數據存儲設備和外圍輸入輸出設備，以及連線各設備的網路等。
數值風洞軟體系統
數值風洞的軟體系統也同樣是數值風洞重要組成部分。數值風洞軟體系統的主體，可分成4部分：前置處理系統、流場求解器、CFD數據可視化系統、網路資料庫系統。但與一般的CFD數值模擬計算不同的是，數值風洞軟體系統更強調各部分之間的有機聯繫和密切配合，強調並行計算在各個部分中的重要作用。
發展現狀
氣流在大氣邊界層中的流動屬湍流，同時風工程研究的重點是鈍體空氣動力學，雖然計算風工程領域經過許多學者的努力，已經取得了許多成就，但至今其研究還是屬於比較困難的領域，表現在建築物或結構物總是在地表邊界層內流場中存在,成為風流動中具有“純體”的障礙物。純體周圍的流場很複雜，它由撞擊（impingement）、分離（separation）、回流（reattachment）、環繞（circulation）和渦（vortices）等確定，見圖1。因此計算風工程包含了當今世界上被認為是困難的所有流體動力學內容。
立方體模型周圍的流場
儘管如此，計算風工程在城市和土木工程領域中的發展是很快的，由基礎的研究開始逐步進入套用階段，具體地表現在繞純體流動的速度和壓力場的分析、繞建築物近地面步行風問題的分析、城市和區域氣候分析、市區戶外氣候分析、繞建築物或城區大氣擴散分析，以及流體與結構氣彈性耦合的基礎研究等。
目前，隨著湍流物理模型的發展，加之計算技術和軟、硬體的飛速進步，在結構風工程領域中，對剛體建築物壁面的平均風壓及其周圍風流場進行數值模擬已成為現實，國內凱德數值已完成了許多高層建築（或高層建築群）、大跨屋蓋結構等平均風荷載的預測、建築群風環境的模擬（如世博會園區風環境數值模擬），受到了工程界和結構設計人員的歡迎。
