《建筑风压原理与卡门涡街交互课件》技术开发报告

一、 项目概述

• 项目目标：针对土木工程、建筑结构及流体力学教学需求，开发一套无需复杂依赖、直观演示建筑物正负风压成因、背风面回流涡及平面绕流卡门涡街（Kármán Vortex Street）演变规律的轻量化交互仿真课件。

二、 核心技术架构与算法实现

1. 物理计算核心：LBM (Lattice Boltzmann Method) D2Q9 模型

• 求解模型：采用标准的二维九速（D2Q9）格子玻尔兹曼法，碰撞步采用单松弛时间（BGK-SRT）逼近。
• 网格与流动参数：
  • 计算网格：$320 \times 140$ 晶格点阵。
  • 运动粘度 $\nu = 0.016$，松弛因子 $\omega \approx 1.82$。
  • 特征雷诺数控制在 $Re \approx 180 \sim 220$，处于层流向湍流过渡的最优卡门涡街脱落区间，涡核清晰且无非物理数值耗散。
• 边界条件：
  • 入口：平衡态 Dirichlet 速度入口（剖面模式叠加指数风速剖面梯度）。
  • 出口：对流外流零梯度边界。
  • 固壁边界：标准半步反弹格式（Half-way Bounce-Back），确保实体零滑移。

2. 无穿透拉格朗日示踪粒子系统（Lagrangian Particles）

• 运动追踪：布置 1800 个微粒子，采用双线性速度插值（Bilinear Interpolation）计算粒子亚晶格速度 $(u, v)$，保证轨迹丝滑无锯齿。
• 边界刚性防穿透设计：
  • 剖面模式设置厚达 15 晶格的实体地基掩膜（$y \ge GY$）。
  • 粒子移动引入单步步长包络与固壁相交检测，遇到实体（solid[c] == 1）立即重置回上游，彻底杜绝粒子下潜地基或穿透建筑内壁的非物理现象。

3. 气压采样与受力矢量算法

• 动压换算：基于格子声速状态方程 $P = c_s^2 \rho = \frac{1}{3}\rho$，通过上游参考密度 $\rho_0$ 与局部密度差 $\Delta \rho$ 换算动压系数 $C_p$。
• 动态受力矢量：沿建筑外法线方向动态绘制作用力箭头：
  • 正压（$C_p > 0$）：红色箭头指向壁面，表示气流撞击推力。
  • 负压（$C_p < 0$）：蓝色箭头背离壁面，表示气流加速与剥离产生的抽吸力。

三、 性能与工程指标

• 零外部环境依赖：单文件纯原生 HTML5 Canvas + Web API 渲染，双击浏览器即开即用。
• 离屏渲染加速：采用 Offscreen ImageData 进行场数据像素批量映射，在 10 步/帧的 LBM 高频迭代下仍稳定维持 55~60 FPS。