基于格子Boltzmann方法的建筑流场仿真研究

论文摘要

为了预测建筑内外气流分布和流动规律,优化建筑通风,本文对格子Boltzmann方法（LBM）在建筑通风仿真中的应用进行了研究。本文所研究内容主要包括四个方面：首先,本文构建了建筑流场LBM数值风洞仿真模型,为建筑流场LBM仿真研究提出了一个通用的框架。在LBM数值风洞的基础上提出了建筑流场二维LBM仿真模型,文中以一个二维的实例对模型进行验证。接着,本文构建了建筑流场LBM分区仿真模型和建筑流场LBM粗细网格仿真模型,解决LBM在复杂建筑空间流场仿真中计算量大、计算时间长,难以实际应用的问题,文中以一个单元楼为例进行了实例计算。而后,本文提出了建筑流场LBM-LES仿真模型,用来模拟处于湍流流动的建筑流场,文中用雷诺数Re=50000的实例对该模型进行了验证。最后,本文提出了建筑流场三维LBM仿真模型,用来模拟三维建筑流场的复杂流动,文中也用一个三维实例进行模型的验证。通过本文的研究基本解决了格子Boltzmann方法在建筑流场仿真应用中的关键问题,这项研究工作,对格子Boltzmann方法在建筑通风仿真中的应用具有极大的推进作用,为掌握建筑内外部流场分布和流动规律提供了一种手段。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 第一章 绪论
• 1.1 课题的研究背景、目的和意义
• 1.2 格子Boltzmann方法介绍以及国内外研究现状
• 1.3 建筑流场模拟的常用方法以及国内外研究状况
• 1.4 格子Boltzmann方法在建筑流场模拟研究的现状及水平
• 1.5 前人研究中的不足
• 1.6 格子Boltzmann方法的应用前景及展望
• 第二章 格子Boltzmann方法介绍
• 2.1 格子气自动机（LGA）模型
• 2.1.1 格子气自动机
• 2.1.2 格子气自动机的的运算规则
• 2.2 Boltzmann方程和格子Boltzmann方程
• 2.2.1 Boltzamann方程
• 2.2.2 从Boltzmann方程到格子Boltzmann方程
• 2.3 格子Boltzmann基本模型
• 2.4 格子Bolztmann方法计算过程
• 2.4.1 格子Boltzmann方法计算步骤
• 2.4.2 格子Boltzmann方法碰撞-迁移计算
• 2.5 格子Boltzmann方法的边界处理
• 2.5.1 启发式格式
• 2.5.2 动力学格式
• 2.5.3 外推格式
• 2.5.4 复杂边界处理格式
• 第三章 建筑流场二维LBM仿真模型研究
• 3.1 建筑流场LBM数值风洞仿真模型构建
• 3.1.1 建筑自然通风原理
• 3.1.2 建筑流场LBM数值风洞仿真模型构建
• 3.2 建筑流场二维LBM仿真模型
• 3.3 建筑流场二维LBM仿真边界处理
• 3.4 建筑流场二维LBM仿真实例和结果
• 3.5 建筑流场二维LBM仿真模型验证
• 第四章 复杂建筑空间流场LBM分区仿真模型研究
• 4.1 建筑流场LBM仿真分区计算模型
• 4.1.1 建筑流场LBM仿真流场分区
• 4.1.2 建筑流场LBM仿真分区模型的内部边界数据交换
• 4.1.3 建筑流场LBM仿真分区模型实例
• 4.2 建筑流场LBM仿真的粗细网格模型
• 4.2.1 建筑流场粗细网格分区算法
• 4.2.2 粗细网格分区边界拼接方法
• 4.3 复杂建筑空间LBM仿真实例和结果
• 4.3.1 物理模型和分区方法
• 4.3.2 复杂建筑空间LBM仿真结果
• 第五章 大雷诺数建筑流场LBM仿真模型研究
• 5.1 湍流大涡模拟概述
• 5.1.1 湍流大涡模拟的基本思想
• 5.1.2 滤波方法及滤波函数
• 5.1.3 动力学亚网格模式
• 5.2 大雷诺数建筑流场概述
• 5.3 大雷诺数建筑流场LBM-LES仿真模型
• 5.4 大雷诺数建筑流场LBM-LES仿真实例和结果
• 第六章 建筑流场三维LBM仿真模型研究
• 6.1 建筑流场三维LBM仿真模型
• 6.2 建筑流场三维LBM仿真边界处理
• 6.3 建筑流场三维LBM仿真实例和结果
• 第七章 总结和展望
• 7.1 本文工作总结
• 7.2 展望
• 致谢
• 参考文献
• 作者简介及硕士生期间发表的学术论文