基于建筑风环境分析的Grasshopper与Fluent接口技术研究

发布时间：2017-04-15 05:10

  本文关键词：基于建筑风环境分析的Grasshopper与Fluent接口技术研究，，由笔耕文化传播整理发布。

【摘要】：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。
【关键词】：建筑风环境 Rhino Grasshopper Fluent 接口开发
【学位授予单位】：南京大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2016
【分类号】：TU312.1
【目录】：

• 摘要4-5
• ABSTRACT5-8
• 第一章 绪论8-18
• 1.1 研究缘起8-9
• 1.1.1 建筑设计方案阶段CFD风环境分析的意义8
• 1.1.2 基于GH与Fluent平台的风环境分析系统的便捷性8-9
• 1.2 相关研究现状9-14
• 1.2.1 相关理论研究及通用CFD软件简介9-11
• 1.2.2 GH平台现有插件和方法及其存在的问题11-14
• 1.3 本研究的目的和意义14-16
• 1.3.1 研究目的14-15
• 1.3.2 研究意义15-16
• 1.4 论文基本架构16-18
• 第二章 GH二次开发及ICEM和Fluent中脚本的运用18-50
• 2.1 GH中的插件开发18-34
• 2.1.1 GH运算器分析18-20
• 2.1.2 GH插件开发语言及原生C20-23
• 2.1.3 利用Visual Studio编写GHA文件23-27
• 2.1.4 运算器主要基类及需要重写的方法27-31
• 2.1.5 复杂运算器及图形用户界面(GUI)的实现31-34
• 2.2 前处理软件ICEM CFD中脚本的运用34-41
• 2.2.1 ICEM简介及基本工作流程34-35
• 2.2.2 ICEM中的TCL/TK脚本语言35-37
• 2.2.3 ICEM主要函数及其使用37-41
• 2.3 求解器Ansys Fluent中脚本的运用41-47
• 2.3.1 Fluent简介及基本工作流程41-42
• 2.3.2 Fluent的GUI和TUI工作界面42-44
• 2.3.3 Fluent中的Scheme脚本语言44-45
• 2.3.4 Fluent主要函数及其使用45-47
• 2.4 本章小结47-50
• 第三章 GH与Fluent协同接口的具体实现50-94
• 3.1 基本架构50-52
• 3.1.1 接口设计架构50-51
• 3.1.2 分析计算流程51-52
• 3.1.3 接口运算器全名称图标52
• 3.2 模型的导出及处理52-61
• 3.2.1 边界条件及Boundary Condition运算器52-57
• 3.2.2 模型的输出及ExportGeo运算器57-61
• 3.3 GH与ICEM的连接61-73
• 3.3.1 网格的处理及IcemMeshing运算器61-67
• 3.3.2 Icem Settings运算器67-70
• 3.3.3 Icem Global Mesh运算器70
• 3.3.4 Script Editor运算器70-72
• 3.3.5 ICEM脚本的录制72-73
• 3.4 GH与Fluent的连接73-90
• 3.4.1 FluentCFD运算器73-76
• 3.4.2 Fluent计算参数设置76-79
• 3.4.3 Fluent Settings及其相关运算器79-82
• 3.4.4 Fluent脚本的录制及Script Recorder运算器82-85
• 3.4.5 插件中Fluent UDF文件的设置85-86
• 3.4.6 利用Windows API实现对Fluent的监控86-90
• 3.5 计算结果的返回90-93
• 3.6 本章小结93-94
• 第四章 基于GH-Fluent系统的建筑风环境分析算例94-108
• 4.1 城市局部风场模拟94-101
• 4.1.1 实验目的94
• 4.1.2 模型的建立94-97
• 4.1.3 利用GH-Fluent系统进行分析计算97-99
• 4.1.4 计算结果反馈及优化99-101
• 4.2 建筑室内风环境模拟101-106
• 4.2.1 实验目的101
• 4.2.2 模型建立101-102
• 4.2.3 利用GH-Fluent系统进行分析计算102-106
• 4.3 本章小结106-108
• 第五章 论文总结108-110
• 5.1 研究内容与成果总结108-109
• 5.2 研究工作的不足与展望109-110
• 致谢110-112
• 主要参考文献112-114
• 附录一：图表索引114-118
• 附录二：部分程序代码(C118-142
• 附录三 攻读学位期间发表的学术论文142-143

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