基于西門子的Simcenter STAR-CCM+多物理場計算流體力學(xué)軟件，設(shè)計團(tuán)隊對“雨漩渦”室內(nèi)瀑布及進(jìn)出中庭的列車進(jìn)行了有效的建模仿真

案例簡介：

“星耀樟宜”坐落于新加坡樟宜機(jī)場第一航站的核心區(qū)域。本文主要介紹了星耀樟宜的核心景觀之一 ——“雨漩渦”室內(nèi)瀑布背后的工程設(shè)計以及挑戰(zhàn)?；谖鏖T子的Simcenter STAR-CCM+多物理場計算流體力學(xué)軟件，設(shè)計團(tuán)隊對“雨漩渦”室內(nèi)瀑布及進(jìn)出中庭的列車進(jìn)行了有效的建模仿真，解決了舒適度、能源消耗及溫室氣體排放等問題，同時優(yōu)化了系統(tǒng)性能，使 “雨漩渦” 成為星耀樟宜的一道靚麗風(fēng)景。

曾獲得12次“全球最佳機(jī)場”稱號，橫掃650多項榮譽的新加坡樟宜機(jī)場，被譽為世界上獲獎最多的機(jī)場。“星耀樟宜”是樟宜機(jī)場的標(biāo)志性休閑目的地，其中心坐落著全球最高的室內(nèi)瀑布—— “雨漩渦”，每分鐘伴隨10,000 加侖的“雨水”傾瀉而下，加之周圍環(huán)繞的梯田森林，以及精心設(shè)計的燈光和音樂表演，蔚為壯觀。

樟宜機(jī)場航站樓的“雨漩渦”（圖片由 Supanut Arunoprayote提供）

然而，在新加坡炎熱潮濕的熱帶氣候中，要令室內(nèi)人員始終保持舒適度是一項艱巨的挑戰(zhàn)，尤其還要考慮能源消耗和溫室氣體排放問題，挑戰(zhàn)就進(jìn)一步增加了。更為復(fù)雜的是，該區(qū)域的中庭有客運列車穿梭，會從外部吸入熱空氣，并將其冷卻的空氣排回中庭。

為了應(yīng)對這些復(fù)雜性，負(fù)責(zé)設(shè)計航站樓的建筑師委托 Atelier Ten 環(huán)境設(shè)計咨詢公司

為其提供戰(zhàn)略環(huán)境設(shè)計、分析咨詢和概念服務(wù)工程，既要滿足植物所需的充足光熱，又要為乘客提供優(yōu)良的舒適度。接到任務(wù)后，Atelier Ten 為樟宜機(jī)場定制了中庭熱力環(huán)境的詳細(xì)模型，使用光線跟蹤技術(shù)對貫穿于屋頂上三角形的玻璃板逐一進(jìn)行了光線仿真。

瀑布工程

首先要解決的問題是瀑布。有些人認(rèn)為瀑布會自己產(chǎn)生冷卻效果，也有人擔(dān)心大量流動的水可能會破壞中庭的熱力環(huán)境。

“建筑師最初希望蒸發(fā)冷卻能帶來一些優(yōu)勢，但真正的顧慮其實在于建筑物內(nèi)部熱力環(huán)境分層的可能性。” Atelier Ten公司的 Henry Woon 解釋道。

我們都知道，熱空氣會上升，這種熱浮力效應(yīng)意味著較熱的空氣會積聚在中庭頂部，并從那里被抽出用于空調(diào)。Atelier Ten 希望確保中庭頂部的熱空氣不會被瀑布帶走并被拖到較低的占用區(qū)域。

“我們的初衷是只消耗低區(qū)域空調(diào)的能量，而這樣做的風(fēng)險在于瀑布會從更高處帶走暖空氣，并將其拖到低層，” Henry Woon 說，“我們擔(dān)心瀑布混合的空氣量會損害中庭的舒適度。 “還有一個需要考慮的問題是，瀑布產(chǎn)生的濕氣會增加所處空間的空氣濕度，從而增加空調(diào)系統(tǒng)的負(fù)荷。

工程師們首先在電子表格中構(gòu)建了一個模型，試圖了解瀑布的夾帶和蒸發(fā)冷卻效果，但很快就發(fā)現(xiàn)他們還需要更詳盡工程信息。

項目室內(nèi)氣候建模負(fù)責(zé)人 Nicolai Artmann 表示：“除了一些自然形成的室外瀑布仿真外，我們并沒有任何可以參考的瀑布仿真文獻(xiàn)。”

為了回答這些問題，Nicolai Artmann 使用西門子的Simcenter STAR-CCM+ 建立了一個詳細(xì)的瀑布數(shù)值模型。

“我們需要研究如何隔離暖空氣，減少對低層核心置換通風(fēng)空間的影響。同時，還要計算瀑布的蒸發(fā)率，以及它實際上給系統(tǒng)增加了多少潛在負(fù)荷。”Nicolai Artmann 說到。

然而，要對這種規(guī)模的瀑布和其所有基本物理現(xiàn)象進(jìn)行仿真，本身就是一種挑戰(zhàn)。

Nicolai Artmann 解釋道：“這些類型的多相仿真計算成本很高，因此我們利用瀑布的旋轉(zhuǎn)對稱性，以高分辨率仿真了一米寬的單片。”

“我們觀察了穿過這個空調(diào)空間的水滴，并計算其釋放的水分量。我們也討論了有什么方法可以估算水滴到達(dá)渦旋底部時釋放的水汽量，以及有多少水會變成水蒸氣，導(dǎo)致空調(diào)系統(tǒng)潛在負(fù)荷的增加。”

Atelier Ten 的工程師通過詳細(xì)的仿真對瀑布進(jìn)行了描述，并利用這些數(shù)據(jù)將源項模型納入了中庭舒適度的綜合模型中：“我們注入了動量源來表示瀑布產(chǎn)生的空氣循環(huán)，重點是觀察如何擾亂置換通風(fēng)和空調(diào)策略，” Henry Woon解釋說，“我認(rèn)為該模型預(yù)測的瀑布軌跡和其對空調(diào)負(fù)荷的影響都相當(dāng)準(zhǔn)確。”

隨后，Atelier Ten 進(jìn)行了大量的實施后驗證測試，以檢查模型的準(zhǔn)確性，該團(tuán)隊在穹頂內(nèi)安裝了多個設(shè)備，進(jìn)行實地考察，測量溫度等，其仿真結(jié)果與現(xiàn)場測量數(shù)據(jù)基本吻合。

如果您去過星耀樟宜，或看見過星耀樟宜的照片，就會看到雨漩渦瀑布周圍有一米高的欄桿，這其實并不在最初的設(shè)計中，而是基于仿真結(jié)果引入的。

“早期的仿真顯示，空氣被瀑布從占用的區(qū)域拖入到集水坑中，然后空氣會向上沖，并攜帶大量水蒸氣。”Nicolai Artmann 解釋道，“為了防止這些水蒸氣進(jìn)入空調(diào)區(qū)，我們設(shè)計了一個一米高的實心玻璃欄桿，使空氣向上而不是向側(cè)面偏轉(zhuǎn)，以免影響游客的體驗。根據(jù)我們的觀察，這是一個成功的策略，如果沒有計算流體力學(xué)仿真，我們是不會采用這個策略的。”

在墻上駕駛的火車

“新加坡是一個終年酷暑的地方，對空調(diào)的使用需求很強，因此有嚴(yán)格的可持續(xù)發(fā)展建筑規(guī)范，” Henry Woon 說，“建筑法規(guī)嚴(yán)格禁止空調(diào)泄漏到外部環(huán)境中，任何沒有自動關(guān)閉裝置的開口都會被視為不符合規(guī)定。因此，需要安裝自動百葉窗、推拉門或空氣幕，以滿足空調(diào)合規(guī)的要求。”

然而一個現(xiàn)實問題是，中庭的空調(diào)花園有一輛列車穿過。

借助 Atelier Ten 公司在工程設(shè)計上的創(chuàng)新，乘客能夠在空調(diào)中庭穿梭時不間斷地欣賞到雨漩渦瀑布。

（圖片來源：Marvin Chandiary）

Henry Woon 提到：“我們最初的想法是使用一系列巨大的空氣幕來創(chuàng)建前庭，然而早期的仿真顯示，每秒鐘需要大約 100 立方米的空氣才能形成有效的空氣幕，這樣風(fēng)能成本太高。后來我們又研究了水幕，最終確定了在列車前方打開、在列車后方關(guān)閉的快速動作門的想法。”

為了滿足監(jiān)管機(jī)構(gòu)的嚴(yán)苛要求，Atelier Ten 的工程師們必須準(zhǔn)確地證明列車通過隧道時的漏氣量。

“星耀項目關(guān)系到國家利益——樟宜機(jī)場是新加坡的門戶，也是許多國際游客首先看到的地方，監(jiān)管機(jī)構(gòu)對我們的設(shè)計方案進(jìn)行了嚴(yán)格審查，”Henry Woon 說，“我們提交了五次設(shè)計方案，最后才通過仿真技術(shù)說服他們——我們可以防止氣體向外部世界大量泄漏。”

Atelier Ten 最終幫助樟宜機(jī)場解決了這一問題，并優(yōu)化了系統(tǒng)性能。其使用 Simcenter STAR-CCM+ 對列車進(jìn)出中庭進(jìn)行建模，這就需要在兩分鐘的時間內(nèi)讓仿真列車通過巨大中庭的整個空間。

“在工程專業(yè)知識和超算資源方面，我們必須與西門子合作。”Nicolai Artmann說：“門上的動作時間約為 0.2 秒，但仿真必須運行超過 500 次才能覆蓋這 2 分鐘的時間，這需要數(shù)周的計算。”

“我們還要考慮的一個問題是列車進(jìn)入空間時產(chǎn)生的活塞效應(yīng)，有時兩輛列車相向而行，造成活塞效應(yīng)，在到達(dá)時將空氣從行人入口處擠出，在離開時又將空氣吸回，”Nicolai Nicolai Artmann 說，“CFD仿真結(jié)果讓我們確信，必須降低列車速度，以防止活塞效應(yīng)。”

通過大量的仿真，Atelier Ten 說服了監(jiān)管機(jī)構(gòu)，他們的方案可以防止空調(diào)空氣泄漏，但還需要進(jìn)一步努力，讓監(jiān)管機(jī)構(gòu)相信該方案是安全的，并且在移動門裝置失靈時不會妨礙列車運行。

“我們在停車場安裝了一個全尺寸的快速動作門模型，然后駕駛一輛叉車全速沖撞，” Henry Woon 說：“這些門實際上非常輕巧，當(dāng)你推門時，它們會自動卷起，因此不會對乘客造成危險。如果發(fā)生斷電，車門也會自動卷起。”

Atelier Ten 同時借助西門子的Simcenter 和西門子的行業(yè)經(jīng)驗，設(shè)計出一套解決方案，不僅減少建筑物的碳足跡，還可以為空間用戶提供更多實用性。

現(xiàn)在在樟宜機(jī)場，這套系統(tǒng)正在按設(shè)計運行。隧道內(nèi)的空氣溫度監(jiān)測器證實，空調(diào)空氣并沒有泄漏到隧道中，乘客可以在乘車的同時一覽無余地欣賞中庭花園和雨漩渦瀑布的景色。

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