基于CityGML三维建筑物模型的室内空气流动模拟研究

摘要

随着智慧城市的发展，要求三维建筑物应具有完善的空间分析功能，而目前主要的三维建筑物模型，如X3D、KML、BIM/IFC、CityGML，不能够直接支持室内特定的模型模拟分析功能。另一方面，随着人们对室内环境的要求越来越高，更多的人关注室内空气品质问题，而室内空气流动的状态是影响室内空气品质的首要因素，但目前3DGIS空间分析方法缺乏建筑物室内空气流动模拟的功能。 为了进一步提高三维GIS室内模型分析能力，扩展3DGIS空间分析的应用领域，推动智慧城市的发展。本文展开了三维建筑物室内空气流动模型模拟研究，针对完善三维建筑物室内模型分析功能以及扩展三维3DGIS空间分析方法的需求，在三维建筑物室内空气流动模拟概念模型研究的基础上，研究了室内空气流动模型数值求解方法，取得的研究成果如下: (1)分析CityGML建筑物空间要素的语义—几何模型，在此基础上，提出室内空气流动模拟概念模型，并借鉴CityGML几何模型和外部编码表思想，制定室内空气流动模拟概念模型的空间结构数据和属性信息的组织方式，提出了基于三维建筑物CityGML数据描述的室内空气流动模拟概念模型的构建方法。通过实例证明本文所研究的室内空气流动模拟概念模型满足室内三维要素对象模型构建的需求。 (2)针对室内空气流动标准k-epsilon数学模型及其三维非稳态问题，结合PISO算法，构建空气动力学数学模型的自定义求解器;以室内空气流动模拟概念模型为基础，结合六面体网格离散方——映射法，离散三维模拟空间，并定义模型的边界及其边界的初始条件，配置自定义模型求解器的数值化方案、求解过程控制方案，求解室内空气流动模型。通过案例证明自定义模型求解器能够满足室内空气流动模型数值模拟计算的需求，且具有良好的计算精度，满足三维建筑物室内空气流动模型模拟分析的需求，可进一步完善三维建筑物空间分析功能。

目录

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摘要

图目录

表目录

第1章 绪论

1．1 研究背景与研究意义

1．1．1 研究背景

1．1．2 研究意义

1．2 国内外研究现状综述

1．2．1 CityGML研究现状

1．2．2 室内空气流动模拟理论研究现状

1．2．3 研究现状小结

1．3 研究目标与研究内容

1．3．1 研究目标

1．3．2 研究内容

1．4 研究方法与技术路线

1．4．1 研究方法

1．4．2 技术路线

1．5 论文组织

第2章 室内空气流动数学模型

2．1 雷诺时均模型

2．1．1 涡粘模型

2．1．2 标准k-epsilon模型

2．1．3 壁面函数法

2．2 标准k-epsilon模型离散

2．2．1 方程离散方法

2．2．2 方程插值格式

2．2．3 非稳态运动模型离散表达

2．3 本章小结

第3章 室内空气流动模拟概念模型

3．1 CityCML基本特点

3．2 CityGML建筑物模型

3．2．1 空间模型

3．2．2 建筑物模型

3．3 室内空气流动模拟概念模型描述

3．3．1 设计需求

3．3．2 语义要素内容

3．3．3 几何对象描述

3．3．4 空间结构描述

3．3．5 属性信息描述

3．4 室内空气流动模拟概念模型构建

3．4．1 空间结构要素数据格式

3．4．2 几何对象构建方法

3．5 案例分析

3．6 本章小结

第4章 室内空气流动模型模拟

4．1 模拟空间离散及网格描述

4．1．1 模拟空间网格离散

4．1．2 模型网格数据描述

4．2 模型边界类型描述

4．3 模型求解器构建

4．3．1 PISO算法

4．3．2 自定义求解器构建

4．4 模型求解方案

4．4．1 模型数值化方案

4．4．2 模型方程组求解方案

4．4．3 模型求解控制方案

4．5 实例分析

4．5．1 方案描述

4．5．2 案例模拟结果

4．5．3 结果对比分析

4．6 本章小结

第5章 结论与展望

5．1 结论

5．2 问题与展望

参考文献

附录

附录A 离散空间的边界基本类型和几何描述

附录B 模型初始化参数描述

附录C PISO算法

附录D 模型数值化方案

附录E 模型方程组求解方案

附录F 模型求解过程控制方案

致谢