基于FLUENT的大氣邊界風(fēng)場(chǎng)LES模擬.pdf

1、隨著國(guó)民經(jīng)濟(jì)的發(fā)展和社會(huì)活動(dòng)的需要，人們對(duì)工程結(jié)構(gòu)的要求越來(lái)越高。為了增加高度與跨度，結(jié)構(gòu)逐漸采用輕質(zhì)高強(qiáng)的建筑材料，使得結(jié)構(gòu)剛度日趨減小，對(duì)風(fēng)荷載更加敏感；由于對(duì)建筑效果的追求，建筑結(jié)構(gòu)的體型越來(lái)越豐富多彩，使得確定結(jié)構(gòu)風(fēng)荷載的難度不斷增加。如果不能合理確定作用在結(jié)構(gòu)上的風(fēng)荷載將會(huì)造成工程結(jié)構(gòu)損傷和破壞，給人民生命財(cái)產(chǎn)帶來(lái)重大的損失，所以確定風(fēng)荷載的準(zhǔn)確取值是結(jié)構(gòu)抗風(fēng)設(shè)計(jì)的關(guān)鍵；而大氣邊界層的流場(chǎng)特性，如風(fēng)速剖面、湍流度剖面、脈動(dòng)風(fēng)速

2、功率譜等是確定結(jié)構(gòu)風(fēng)荷載的基礎(chǔ)；因此，準(zhǔn)確描述建筑結(jié)構(gòu)周圍的大氣邊界層風(fēng)場(chǎng)情況是確定結(jié)構(gòu)風(fēng)荷載的前提。
　　 隨著計(jì)算機(jī)軟硬件水平的飛速發(fā)展，CFD技術(shù)在工程中的應(yīng)用愈加廣泛，且CFD具有速度快、費(fèi)用低、結(jié)果采集更為全面等明顯優(yōu)勢(shì)，良好的應(yīng)用前景使其在結(jié)構(gòu)風(fēng)工程領(lǐng)域得到了越來(lái)越多的重視，正逐漸成為計(jì)算結(jié)構(gòu)風(fēng)荷載、模擬復(fù)雜風(fēng)環(huán)境的重要方法之一。
　　 土木工程結(jié)構(gòu)所處的大氣邊界層風(fēng)場(chǎng)是不可壓縮的湍流運(yùn)動(dòng)。根據(jù)對(duì)湍流中各級(jí)尺

3、度渦計(jì)算精度和對(duì)控制方程處理方法的不同，CFD的模擬方法可分為直接數(shù)值模擬法(DNS)、雷諾平均法(RANS)和大渦模擬法(LES)三類。其中，大渦模擬法是數(shù)值抗風(fēng)研究中兼顧計(jì)算精度與計(jì)算效率的主要選擇。本文將采用大渦模擬的方法對(duì)不同地貌類別大氣邊界層風(fēng)場(chǎng)進(jìn)行數(shù)值模擬，為模擬建筑結(jié)構(gòu)繞流、確定結(jié)構(gòu)表面風(fēng)荷載提供依據(jù)。
　　 本文主要研究工作包括：
　　 1、通過(guò)利用擬周期邊界條件、布置粗糙元和添加隨機(jī)擾動(dòng)等措施實(shí)現(xiàn)了大氣

4、邊界層風(fēng)場(chǎng)的LES模擬。其中，通過(guò)布置粗糙元增加流場(chǎng)底部的擾動(dòng)，通過(guò)在流場(chǎng)指定范圍內(nèi)添加滿足正態(tài)分布的隨機(jī)數(shù)來(lái)加大流場(chǎng)上部的擾動(dòng)，并提出了添加隨機(jī)數(shù)標(biāo)準(zhǔn)差的近似計(jì)算公式。
　　 2、自己編寫C語(yǔ)言程序描述上述擬周期邊界條件及添加的隨機(jī)數(shù)，將其作為UDF加入到FLUENT軟件中參與計(jì)算，并通過(guò)編寫并行程序加快計(jì)算速度。
　　 3、研究了CFD數(shù)值計(jì)算中各種參數(shù)的設(shè)置，主要包括計(jì)算域的選取、粗糙元的布置、網(wǎng)格的劃分及時(shí)間步長(zhǎng)

5、的設(shè)置，并針對(duì)本文所模擬的大氣邊界層風(fēng)場(chǎng)提出各參數(shù)的合理取值。
　　 4、驗(yàn)證了本文提出的數(shù)值模擬方法的可行性與正確性，并分析了影響數(shù)值模擬結(jié)果的主要參數(shù)，包括網(wǎng)格密度、數(shù)據(jù)提取位置、粗糙元高度、隨機(jī)數(shù)大小、隨機(jī)數(shù)賦值方向及范圍，掌握了其影響規(guī)律。
　　 5、采用上述模擬方法，對(duì)不同地貌類別的大氣邊界層風(fēng)場(chǎng)進(jìn)行數(shù)值模擬，并通過(guò)改變各影響參數(shù)的取值，使模擬得到的風(fēng)場(chǎng)特征參數(shù)逐漸逼近模擬目標(biāo)，最終生成需要的大氣邊界層風(fēng)場(chǎng)，為