飞机、列车和瀑布

案例简介：

“星耀樟宜”坐落于新加坡樟宜机场第一航站的核心区域。本文主要介绍了星耀樟宜的核心景观之一 ——“雨漩涡”室内瀑布背后的工程设计以及挑战。基于西门子的Simcenter STAR-CCM+多物理场计算流体力学软件，设计团队对“雨漩涡”室内瀑布及进出中庭的列车进行了有效的建模仿真，解决了舒适度、能源消耗及温室气体排放等问题，同时优化了系统性能，使 “雨漩涡” 成为星耀樟宜的一道靓丽风景。

曾获得12次“全球最佳机场”称号，横扫650多项荣誉的新加坡樟宜机场，被誉为世界上获奖最多的机场。“星耀樟宜”是樟宜机场的标志性休闲目的地，其中心坐落着全球最高的室内瀑布 —— “雨漩涡”，每分钟伴随10,000 加仑的“雨水” 倾泻而下，加之周围环绕的梯田森林，以及精心设计的灯光和音乐表演，蔚为壮观。

樟宜机场航站楼的“雨漩涡”（图片由 Supanut Arunoprayote 提供）

然而，在新加坡炎热潮湿的热带气候中，要令室内人员始终保持舒适度是一项艰巨的挑战，尤其还要考虑能源消耗和温室气体排放问题，挑战就进一步增加了。更为复杂的是，该区域的中庭有客运列车穿梭，会从外部吸入热空气，并将其冷却的空气排回中庭。

为了应对这些复杂性，负责设计航站楼的建筑师委托 Atelier Ten 环境设计咨询公司

为其提供战略环境设计、分析咨询和概念服务工程，既要满足植物所需的充足光热，又要为乘客提供优良的舒适度。接到任务后，Atelier Ten 为樟宜机场定制了中庭热力环境的详细模型，使用光线跟踪技术对贯穿于屋顶上三角形的玻璃板逐一进行了光线仿真。

瀑布工程

首先要解决的问题是瀑布。有些人认为瀑布会自己产生冷却效果，也有人担心大量流动的水可能会破坏中庭的热力环境。

“建筑师最初希望蒸发冷却能带来一些优势，但真正的顾虑其实在于建筑物内部热力环境分层的可能性。” Atelier Ten公司的 Henry Woon 解释道。

我们都知道，热空气会上升，这种热浮力效应意味着较热的空气会积聚在中庭顶部，并从那里被抽出用于空调。Atelier Ten 希望确保中庭顶部的热空气不会被瀑布带走并被拖到较低的占用区域。

“我们的初衷是只消耗低区域空调的能量，而这样做的风险在于瀑布会从更高处带走暖空气，并将其拖到低层，” Henry Woon 说， “我们担心瀑布混合的空气量会损害中庭的舒适度。 “还有一个需要考虑的问题是，瀑布产生的湿气会增加所处空间的空气湿度，从而增加空调系统的负荷。

工程师们首先在电子表格中构建了一个模型，试图了解瀑布的夹带和蒸发冷却效果，但很快就发现他们还需要更详尽工程信息。

项目室内气候建模负责人 Nicolai Artmann 表示：“除了一些自然形成的室外瀑布仿真外，我们并没有任何可以参考的瀑布仿真文献。”

为了回答这些问题，Nicolai Artmann 使用西门子的Simcenter STAR-CCM+ 建立了一个详细的瀑布数值模型。

“我们需要研究如何隔离暖空气，减少对低层核心置换通风空间的影响。同时，还要计算瀑布的蒸发率，以及它实际上给系统增加了多少潜在负荷。” Nicolai Artmann 说到。

然而，要对这种规模的瀑布和其所有基本物理现象进行仿真，本身就是一种挑战。

Nicolai Artmann 解释道： “这些类型的多相仿真计算成本很高，因此我们利用瀑布的旋转对称性，以高分辨率仿真了一米宽的单片。”

“我们观察了穿过这个空调空间的水滴，并计算其释放的水分量。我们也讨论了有什么方法可以估算水滴到达涡旋底部时释放的水汽量，以及有多少水会变成水蒸气，导致空调系统潜在负荷的增加。”

Atelier Ten 的工程师通过详细的仿真对瀑布进行了描述，并利用这些数据将源项模型纳入了中庭舒适度的综合模型中：“我们注入了动量源来表示瀑布产生的空气循环，重点是观察如何扰乱置换通风和空调策略，” Henry Woon解释说， “我认为该模型预测的瀑布轨迹和其对空调负荷的影响都相当准确。”

随后，Atelier Ten 进行了大量的实施后验证测试，以检查模型的准确性，该团队在穹顶内安装了多个设备，进行实地考察，测量温度等，其仿真结果与现场测量数据基本吻合。

如果您去过星耀樟宜，或看见过星耀樟宜的照片，就会看到雨漩涡瀑布周围有一米高的栏杆，这其实并不在最初的设计中，而是基于仿真结果引入的。

“早期的仿真显示，空气被瀑布从占用的区域拖入到集水坑中，然后空气会向上冲，并携带大量水蒸气。” Nicolai Artmann 解释道， “为了防止这些水蒸气进入空调区，我们设计了一个一米高的实心玻璃栏杆，使空气向上而不是向侧面偏转，以免影响游客的体验。根据我们的观察，这是一个成功的策略，如果没有计算流体力学仿真，我们是不会采用这个策略的。”

在墙上驾驶的火车

“新加坡是一个终年酷暑的地方，对空调的使用需求很强，因此有严格的可持续发展建筑规范，” Henry Woon 说， “建筑法规严格禁止空调泄漏到外部环境中，任何没有自动关闭装置的开口都会被视为不符合规定。因此，需要安装自动百叶窗、推拉门或空气幕，以满足空调合规的要求。”

然而一个现实问题是，中庭的空调花园有一辆列车穿过。

借助 Atelier Ten 公司在工程设计上的创新，乘客能够在空调中庭穿梭时不间断地欣赏到雨漩涡瀑布。

（图片来源：Marvin Chandiary）

Henry Woon 提到： “我们最初的想法是使用一系列巨大的空气幕来创建前庭，然而早期的仿真显示，每秒钟需要大约 100 立方米的空气才能形成有效的空气幕，这样风能成本太高。后来我们又研究了水幕，最终确定了在列车前方打开、在列车后方关闭的快速动作门的想法。”

为了满足监管机构的严苛要求，Atelier Ten 的工程师们必须准确地证明列车通过隧道时的漏气量。

“星耀项目关系到国家利益 —— 樟宜机场是新加坡的门户，也是许多国际游客首先看到的地方，监管机构对我们的设计方案进行了严格审查，” Henry Woon 说， “我们提交了五次设计方案，最后才通过仿真技术说服他们 —— 我们可以防止气体向外部世界大量泄漏。”

Atelier Ten 最终帮助樟宜机场解决了这一问题，并优化了系统性能。其使用 Simcenter STAR-CCM+ 对列车进出中庭进行建模，这就需要在两分钟的时间内让仿真列车通过巨大中庭的整个空间。

“在工程专业知识和超算资源方面，我们必须与西门子合作。” Nicolai Artmann说： “门上的动作时间约为 0.2 秒，但仿真必须运行超过 500 次才能覆盖这 2 分钟的时间，这需要数周的计算。”

“我们还要考虑的一个问题是列车进入空间时产生的活塞效应，有时两辆列车相向而行，造成活塞效应，在到达时将空气从行人入口处挤出，在离开时又将空气吸回，” Nicolai Nicolai Artmann 说， “CFD仿真结果让我们确信，必须降低列车速度，以防止活塞效应。”

通过大量的仿真，Atelier Ten 说服了监管机构，他们的方案可以防止空调空气泄漏，但还需要进一步努力，让监管机构相信该方案是安全的，并且在移动门装置失灵时不会妨碍列车运行。

“我们在停车场安装了一个全尺寸的快速动作门模型，然后驾驶一辆叉车全速冲撞，” Henry Woon 说：“这些门实际上非常轻巧，当你推门时，它们会自动卷起，因此不会对乘客造成危险。如果发生断电，车门也会自动卷起。”

Atelier Ten 同时借助西门子的Simcenter 和西门子的行业经验，设计出一套解决方案，不仅减少建筑物的碳足迹，还可以为空间用户提供更多实用性。

现在在樟宜机场，这套系统正在按设计运行。隧道内的空气温度监测器证实，空调空气并没有泄漏到隧道中，乘客可以在乘车的同时一览无余地欣赏中庭花园和雨漩涡瀑布的景色。