雨漩渦”室內瀑布背后的工程設計以及挑戰 | 西門子助力新加坡機場核心區域

基于西門子的Simcenter STAR-CCM+多物理場計算流體力學軟件，設計團隊對“雨漩渦”室內瀑布及進出中庭的列車進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場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之一 ——“雨漩渦”室內瀑布背后的工程設計以及挑戰?；谖鏖T子的Simcenter STAR-CCM+多物理場計算流體力學軟件，設計團隊對“雨漩渦”室內瀑布及進出中庭的列車進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，同時優化了系統性能，使 “雨漩渦” 成為星耀樟宜的一道靚麗風景。

曾獲得12次“全球最佳機場”稱號，橫掃650多項榮譽的新加坡樟宜機場，被譽為世界上獲獎最多的機場。“星耀樟宜”是樟宜機場的標志性休閑目的地，其中心坐落著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，加之周圍環繞的梯田森林，以及精心設計的燈光和音樂表演，蔚為壯觀。

樟宜機場航站樓的“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題，挑戰就進一步增加了。更為復雜的是，該區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。

為了應對這些復雜性，負責設計航站樓的建筑師委托 Atelier Ten 環境設計咨詢公司

為其提供戰略環境設計、分析咨詢和概念服務工程，既要滿足植物所需的充足光熱，又要為乘客提供優良的舒適度。接到任務后，Atelier Ten 為樟宜機場定制了中庭熱力環境的詳細模型，使用光線跟蹤技術對貫穿于屋頂上三角形的玻璃板逐一進行了光線仿真。

瀑布工程

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

“建筑師最初希望蒸發冷卻能帶來一些優勢，但真正的顧慮其實在于建筑物內部熱力環境分層的可能性。” 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。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域。

“我們的初衷是只消耗低區域空調的能量，而這樣做的風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，瀑布產生的濕氣會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模型，試圖了解瀑布的夾帶和蒸發冷卻效果，但很快就發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，我們并沒有任何可以參考的瀑布仿真文獻。”

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空間的影響。同時，還要計算瀑布的蒸發率，以及它實際上給系統增加了多少潛在負荷。”Nicolai Artmann 說到。

然而，要對這種規模的瀑布和其所有基本物理現象進行仿真，本身就是一種挑戰。

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釋放的水汽量，以及有多少水會變成水蒸氣，導致空調系統潛在負荷的增加。”

Atelier Ten 的工程師通過詳細的仿真對瀑布進行了描述，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：“我們注入了動量源來表示瀑布產生的空氣循環，重點是觀察如何擾亂置換通風和空調策略，” Henry Woon解釋說，“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 進行了大量的實施后驗證測試，以檢查模型的準確性，該團隊在穹頂內安裝了多個設備，進行實地考察，測量溫度等，其仿真結果與現場測量數據基本吻合。

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入空調區，我們設計了一個一米高的實心玻璃欄桿，使空氣向上而不是向側面偏轉，以免影響游客的體驗。根據我們的觀察，這是一個成功的策略，如果沒有計算流體力學仿真，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，對空調的使用需求很強，因此有嚴格的可持續發展建筑規范，” Henry Woon 說，“建筑法規嚴格禁止空調泄漏到外部環境中，任何沒有自動關閉裝置的開口都會被視為不符合規定。因此，需要安裝自動百葉窗、推拉門或空氣幕，以滿足空調合規的要求。”

然而一個現實問題是，中庭的空調花園有一輛列車穿過。

借助 Atelier Ten 公司在工程設計上的創新，乘客能夠在空調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、在列車后方關閉的快速動作門的想法。”

為了滿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通過隧道時的漏氣量。

“星耀項目關系到國家利益——樟宜機場是新加坡的門戶，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行了嚴格審查，”Henry Woon 說，“我們提交了五次設計方案，最后才通過仿真技術說服他們——我們可以防止氣體向外部世界大量泄漏。”

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

“在工程專業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，這需要數周的計算。”

“我們還要考慮的一個問題是列車進入空間時產生的活塞效應，有時兩輛列車相向而行，造成活塞效應，在到達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仿真結果讓我們確信，必須降低列車速度，以防止活塞效應。”

通過大量的仿真，Atelier Ten 說服了監管機構，他們的方案可以防止空調空氣泄漏，但還需要進一步努力，讓監管機構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 和西門子的行業經驗，設計出一套解決方案，不僅減少建筑物的碳足跡，還可以為空間用戶提供更多實用性。

現在在樟宜機場，這套系統正在按設計運行。隧道內的空氣溫度監測器證實，空調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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