基于建筑风环境分析的Grasshopper与Fluent接口技术研究

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随着CFD(计算流体力学)技术的迅速发展,其应用领域已经广泛深入到建筑设计和暖通设计之中。如今建筑风环境设计已经成为建筑设计中重要的一环,如何有效的利用CFD模拟工具对建筑设计方案进行风环境分析,从而改善建筑室内外流畅组织形式已成为建筑师需要具备的能力之一。但是,通用CFD软件对于使用者的理论基础要求较高,更重要的是单纯的CFD软件更加关注求解过程,对建模软件的设计上并没有进行过多的优化。另外,建筑师使用频率较高的建模软件比如Rhino、Sketchup等均没有提供直接的CFD软件接口。以上因素都成为了建筑师掌握并运用CFD技术进行建筑风环境分析设计的障碍。参数化技术在建筑设计领域的应用越来越广泛和深入,建筑师接受度最高的参数化工具非Rhino+Grasshopper莫属。依托于Rhino强大的建模能力以及Grasshopper节点式编程功能,其在建筑优化设计中优势愈发明显。如果能够将Rhino和Grasshopper的参数化能力与CFD模拟技术联系起来,必将能够帮助建筑师在建筑设计方案阶段更方便的进行建筑风环境分析。本文针对目前CFD分析工具与建筑设计常用软件间接口匮乏的问题,从建筑设计方案阶段对建筑风环境分析的诉求出发,选用Ansys Fluent作为CFD模拟工具、Rhino+Grasshopper作为参数化平台,开发出联系二者的接口插件。本文首先深入剖析了Grasshopper中插件开发的过程和步骤,从Grasshopper内部数据结构的解释到简单运算器的实现,再到复杂运算器和自定义类型的实现,展示了Grasshopper二次开发中主要的技术细节。其次,本文还研究了CFD前处理软件ICEM和求解软件Fluent的脚本开发流程,并总结了ICEM和Fluent脚本开发的一般步骤,整理出了ICEM和Fluent常用脚本函数供研究者使用。基于前期的基础研究,本文完成了Rhino+Grasshopper平台与Fluent的对接,实现了三种模式下的非结构网格生成、Fluent的批处理运行和单例运行、线程同步、计算数据和图像导出等多种功能,并详细介绍了接口插件的具体实现过程。最后,通过两个模拟算例演示了接口插件的具体使用,分别利用了插件中提供的内置模式和外置脚本模式对室外风环境和室内风环境进行了模拟计算,并且在室外风环境计算的同时提供了利用遗传算法优化设计结果的思路。文章主体主要通过介绍接口插件的实现过程,使读者了解接口插件背后的技术细节,并通过两个算例演示了接口插件的具体使用,意在使读者以及研究人员能够更方便的将本插件用于设计和研究工作,并为建筑师在建筑设计方案阶段进行风环境分析提供参考思路。
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