雨漩渦”室內瀑布背后的工程設計以及挑戰 | 西門(mén)子助力新加坡機場(chǎng)核心區域

基于西門(mén)子的Simcenter STAR-CCM+多物理場(chǎng)計算流體力學(xué)軟件，設計團隊對“雨漩渦”室內瀑布及進(jìn)出中庭的列車(chē)進(jìn)行了有效的建模仿真

案例簡(jiǎn)介：

“星耀樟宜”坐落于新加坡樟宜機場(chǎng)第一航站的核心區域。本文主要介紹了星耀樟宜的核心景觀(guān)之一 ——“雨漩渦”室內瀑布背后的工程設計以及挑戰?；谖鏖T(mén)子的Simcenter STAR-CCM+多物理場(chǎng)計算流體力學(xué)軟件，設計團隊對“雨漩渦”室內瀑布及進(jìn)出中庭的列車(chē)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(wèn)題，同時(shí)優(yōu)化了系統性能，使 “雨漩渦” 成為星耀樟宜的一道靚麗風(fēng)景。

曾獲得12次“全球最佳機場(chǎng)”稱(chēng)號，橫掃650多項榮譽(yù)的新加坡樟宜機場(chǎng)，被譽(yù)為世界上獲獎最多的機場(chǎng)。“星耀樟宜”是樟宜機場(chǎng)的標志性休閑目的地，其中心坐落著(zhù)全球最高的室內瀑布—— “雨漩渦”，每分鐘伴隨10,000 加侖的“雨水”傾瀉而下，加之周?chē)h(huán)繞的梯田森林，以及精心設計的燈光和音樂(lè )表演，蔚為壯觀(guān)。

樟宜機場(chǎng)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，要令室內人員始終保持舒適度是一項艱巨的挑戰，尤其還要考慮能源消耗和溫室氣體排放問(wèn)題，挑戰就進(jìn)一步增加了。更為復雜的是，該區域的中庭有客運列車(chē)穿梭，會(huì )從外部吸入熱空氣，并將其冷卻的空氣排回中庭。

為了應對這些復雜性，負責設計航站樓的建筑師委托 Atelier Ten 環(huán)境設計咨詢(xún)公司

為其提供戰略環(huán)境設計、分析咨詢(xún)和概念服務(wù)工程，既要滿(mǎn)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 為樟宜機場(chǎng)定制了中庭熱力環(huán)境的詳細模型，使用光線(xiàn)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(xiàn)仿真。

瀑布工程

首先要解決的問(wèn)題是瀑布。有些人認為瀑布會(huì )自己產(chǎn)生冷卻效果，也有人擔心大量流動(dòng)的水可能會(huì )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(lái)一些優(yōu)勢，但真正的顧慮其實(shí)在于建筑物內部熱力環(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(huì )上升，這種熱浮力效應意味著(zhù)較熱的空氣會(huì )積聚在中庭頂部，并從那里被抽出用于空調。Atelier Ten 希望確保中庭頂部的熱空氣不會(huì )被瀑布帶走并被拖到較低的占用區域。

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

工程師們首先在電子表格中構建了一個(gè)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)現他們還需要更詳盡工程信息。

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

為了回答這些問(wèn)題，Nicolai Artmann 使用西門(mén)子的Simcenter STAR-CCM+ 建立了一個(gè)詳細的瀑布數值模型。

“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(shí)，還要計算瀑布的蒸發(fā)率，以及它實(shí)際上給系統增加了多少潛在負荷。”Nicolai Artmann 說(shuō)到。

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

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

“我們觀(guān)察了穿過(guò)這個(gè)空調空間的水滴，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渦旋底部時(shí)釋放的水汽量，以及有多少水會(huì )變成水蒸氣，導致空調系統潛在負荷的增加。”

Atelier Ten 的工程師通過(guò)詳細的仿真對瀑布進(jìn)行了描述，并利用這些數據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(dòng)量源來(lái)表示瀑布產(chǎn)生的空氣循環(huán)，重點(diǎn)是觀(guān)察如何擾亂置換通風(fēng)和空調策略，” Henry Woon解釋說(shuō)，“我認為該模型預測的瀑布軌跡和其對空調負荷的影響都相當準確。”

隨后，Atelier Ten 進(jìn)行了大量的實(shí)施后驗證測試，以檢查模型的準確性，該團隊在穹頂內安裝了多個(gè)設備，進(jìn)行實(shí)地考察，測量溫度等，其仿真結果與現場(chǎng)測量數據基本吻合。

如果您去過(guò)星耀樟宜，或看見(jiàn)過(guò)星耀樟宜的照片，就會(huì )看到雨漩渦瀑布周?chē)幸幻赘叩臋跅U，這其實(shí)并不在最初的設計中，而是基于仿真結果引入的。

“早期的仿真顯示，空氣被瀑布從占用的區域拖入到集水坑中，然后空氣會(huì )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)入空調區，我們設計了一個(gè)一米高的實(shí)心玻璃欄桿，使空氣向上而不是向側面偏轉，以免影響游客的體驗。根據我們的觀(guān)察，這是一個(gè)成功的策略，如果沒(méi)有計算流體力學(xué)仿真，我們是不會(huì )采用這個(gè)策略的。”

在墻上駕駛的火車(chē)

“新加坡是一個(gè)終年酷暑的地方，對空調的使用需求很強，因此有嚴格的可持續發(fā)展建筑規范，” Henry Woon 說(shuō)，“建筑法規嚴格禁止空調泄漏到外部環(huán)境中，任何沒(méi)有自動(dòng)關(guān)閉裝置的開(kāi)口都會(huì )被視為不符合規定。因此，需要安裝自動(dòng)百葉窗、推拉門(mén)或空氣幕，以滿(mǎn)足空調合規的要求。”

然而一個(gè)現實(shí)問(wèn)題是，中庭的空調花園有一輛列車(chē)穿過(guò)。

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

（圖片來(lái)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(lái)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(lái)我們又研究了水幕，最終確定了在列車(chē)前方打開(kāi)、在列車(chē)后方關(guān)閉的快速動(dòng)作門(mén)的想法。”

為了滿(mǎn)足監管機構的嚴苛要求，Atelier Ten 的工程師們必須準確地證明列車(chē)通過(guò)隧道時(shí)的漏氣量。

“星耀項目關(guān)系到國家利益——樟宜機場(chǎng)是新加坡的門(mén)戶(hù)，也是許多國際游客首先看到的地方，監管機構對我們的設計方案進(jìn)行了嚴格審查，”Henry Woon 說(shuō)，“我們提交了五次設計方案，最后才通過(guò)仿真技術(shù)說(shuō)服他們——我們可以防止氣體向外部世界大量泄漏。”

Atelier Ten 最終幫助樟宜機場(chǎng)解決了這一問(wèn)題，并優(yōu)化了系統性能。其使用 Simcenter STAR-CCM+ 對列車(chē)進(jìn)出中庭進(jìn)行建模，這就需要在兩分鐘的時(shí)間內讓仿真列車(chē)通過(guò)巨大中庭的整個(gè)空間。

“在工程專(zhuān)業(yè)知識和超算資源方面，我們必須與西門(mén)子合作。”Nicolai Artmann說(shuō)：“門(mén)上的動(dòng)作時(shí)間約為 0.2 秒，但仿真必須運行超過(guò) 500 次才能覆蓋這 2 分鐘的時(shí)間，這需要數周的計算。”

“我們還要考慮的一個(gè)問(wèn)題是列車(chē)進(jìn)入空間時(shí)產(chǎn)生的活塞效應，有時(shí)兩輛列車(chē)相向而行，造成活塞效應，在到達時(shí)將空氣從行人入口處擠出，在離開(kāi)時(shí)又將空氣吸回，”Nicolai Nicolai Artmann 說(shuō)，“CFD仿真結果讓我們確信，必須降低列車(chē)速度，以防止活塞效應。”

通過(guò)大量的仿真，Atelier Ten 說(shuō)服了監管機構，他們的方案可以防止空調空氣泄漏，但還需要進(jìn)一步努力，讓監管機構相信該方案是安全的，并且在移動(dòng)門(mén)裝置失靈時(shí)不會(huì )妨礙列車(chē)運行。

“我們在停車(chē)場(chǎng)安裝了一個(gè)全尺寸的快速動(dòng)作門(mén)模型，然后駕駛一輛叉車(chē)全速沖撞，” Henry Woon 說(shuō)：“這些門(mén)實(shí)際上非常輕巧，當你推門(mén)時(shí)，它們會(huì )自動(dòng)卷起，因此不會(huì )對乘客造成危險。如果發(fā)生斷電，車(chē)門(mén)也會(huì )自動(dòng)卷起。”

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

現在在樟宜機場(chǎng)，這套系統正在按設計運行。隧道內的空氣溫度監測器證實(shí)，空調空氣并沒(méi)有泄漏到隧道中，乘客可以在乘車(chē)的同時(shí)一覽無(wú)余地欣賞中庭花園和雨漩渦瀑布的景色。

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