基于大渦模擬的CFD入口條件及脈動(dòng)風(fēng)壓模擬研究.pdf

1、土木工程結(jié)構(gòu)一般處于大氣邊界層甚至城市下墊層內(nèi),近地風(fēng)場(chǎng)及結(jié)構(gòu)周圍流場(chǎng)都可視為不可壓縮流體的湍流運(yùn)動(dòng),結(jié)構(gòu)所受風(fēng)場(chǎng)的來流和結(jié)構(gòu)表面風(fēng)壓具有時(shí)變特性。當(dāng)考慮這些時(shí)變特性并研究其影響時(shí),大渦模擬成為數(shù)值抗風(fēng)研究中兼顧精度與計(jì)算效率的主要選擇。
　　 采用大渦模擬進(jìn)行工程結(jié)構(gòu)風(fēng)壓預(yù)測(cè)的前提之一是開發(fā)具有近地脈動(dòng)風(fēng)特性的脈動(dòng)入口條件。與其他領(lǐng)域相比,土木工程領(lǐng)域大渦模擬脈動(dòng)入口條件的特殊性主要體現(xiàn)在:高雷諾數(shù)、高湍流度、流動(dòng)特征受地表形

2、態(tài)影響顯著等方面。目前,基于大渦模擬的風(fēng)工程研究多采用均勻流入口,或采用的脈動(dòng)入口與近地風(fēng)流動(dòng)特征差異較大,難于同時(shí)滿足上述土木工程入口條件的特點(diǎn)。因此,為使其具有近地脈動(dòng)風(fēng)的統(tǒng)計(jì)特性,本文首先對(duì)大氣湍流邊界層進(jìn)行模擬,從中提取流動(dòng)時(shí)程作為脈動(dòng)風(fēng)壓模擬的入口條件,即建立“模擬-提取-應(yīng)用”的解決模式。這一過程的難點(diǎn)主要在于:
　　 1、近地風(fēng)流動(dòng)雷諾數(shù)較大,開發(fā)穩(wěn)定高效的模擬程序是實(shí)現(xiàn)“模擬-提取-應(yīng)用”這一過程的首要前提；

3、r>　　 2、模擬充分發(fā)展的大氣湍流邊界層需要長(zhǎng)距離的幾何空間,計(jì)算耗時(shí)大,提出高效的模擬方法是工程研究關(guān)心的問題之一；
　　 3、不同地貌下近地風(fēng)的流動(dòng)特征差異較大,建立不同簡(jiǎn)化模型,使其可反映復(fù)雜地表對(duì)近地風(fēng)場(chǎng)的影響,準(zhǔn)確模擬出不同地貌下的風(fēng)場(chǎng)特性。
　　 4、“模擬”環(huán)節(jié)和“應(yīng)用”環(huán)節(jié)的網(wǎng)格和雷諾數(shù)一般不匹配,有效保持脈動(dòng)入口的各項(xiàng)特性,是入口條件應(yīng)用的關(guān)鍵因素之一。
　　 針對(duì)以上難點(diǎn),本文提出相應(yīng)的解

4、決方法和開展的研究工作包括:
　　 第二章闡述大渦模擬控制方程并將其無量綱化后,以差分離散為基礎(chǔ),編制了笛卡爾坐標(biāo)系下的大渦模擬求解程序。期間,針對(duì)于流動(dòng)的高雷諾數(shù)特性,提出了一種基于流動(dòng)狀態(tài)調(diào)整數(shù)值粘性的對(duì)流項(xiàng)三階迎風(fēng)格式,并在第三章中以一維對(duì)流擴(kuò)散方程為驗(yàn)證模型,證明了該格式在高對(duì)流擴(kuò)散過程中可有效抑制中心差分引起的非物理震蕩。作為程序的驗(yàn)證性分析,第三章中,對(duì)二維方腔驅(qū)動(dòng)流和三維方柱繞流兩個(gè)經(jīng)典算例進(jìn)行模擬,驗(yàn)證了大渦模擬

5、求解程序?qū)Ω呃字Z數(shù)流動(dòng)求解的穩(wěn)定性與正確性。
　　 第四章中,為提高邊界層模擬的計(jì)算效率,采用順流向周期邊界條件縮減了計(jì)算域和計(jì)算時(shí)間。該周期條件引起的不利效應(yīng)是,隨計(jì)算時(shí)長(zhǎng)增加,壁面摩擦阻力使流向速度不斷減小。對(duì)此,本文提出指數(shù)型順流向恒壓力梯度并將其引入流體控制方程,有效控制了流向速度的穩(wěn)定性。利用普通附面邊界層與大氣邊界層在分層結(jié)構(gòu)上的類似性,將附面邊界層內(nèi)流動(dòng)作為近地風(fēng)場(chǎng)的近似,采用順流向周期邊界條件對(duì)平板附面湍流邊界層

6、進(jìn)行了模擬。邊界層的平均速度及湍流強(qiáng)度剖面基本符合我國(guó)A類地貌下的風(fēng)場(chǎng)特性,速度時(shí)程的頻譜特性與Karman譜在低頻段基本吻合,高頻段會(huì)存在一些差距,但可通過細(xì)化網(wǎng)格提高高頻段的模擬效果。提取平板湍流邊界層的速度壓力時(shí)程作為脈動(dòng)入口,并將其引入一網(wǎng)格變異的驗(yàn)證單元,結(jié)果表明該脈動(dòng)入口的流動(dòng)特征和統(tǒng)計(jì)特性在驗(yàn)證單元內(nèi)保持較好,對(duì)網(wǎng)格變異及雷諾數(shù)變異均具有較好的適應(yīng)性,可為計(jì)算風(fēng)工程所接受。
　　 本文在第五章中建立了簡(jiǎn)化的粗面邊界

7、層模型,以模擬其他地貌下大氣邊界層。為增大邊界層內(nèi)湍流強(qiáng)度,在平板模型底面布置粗糙元以增大近地湍流度,布置擾流桿增大邊界層高處的湍流度。將擬周期邊界條件發(fā)展到粗面邊界層,提高邊界層模擬效率的同時(shí)保持了順流向平均速度的穩(wěn)定。采用粗面邊界層模型并結(jié)合擬周期條件,分別模擬了我國(guó)B、C、D三類地貌下的脈動(dòng)風(fēng)場(chǎng),并將結(jié)果與中美澳風(fēng)荷載規(guī)范進(jìn)行了比較。結(jié)果表明,平均速度剖面與規(guī)范規(guī)定的目標(biāo)剖面吻合良好,湍流度與規(guī)范相比,介于中國(guó)與澳大利亞規(guī)范的規(guī)定

8、值之間。速度頻譜與Karman譜在低頻段基本吻合,高頻段依然存在一定差距。將粗面邊界層內(nèi)的脈動(dòng)流場(chǎng)作為入口條件引入網(wǎng)格變異的驗(yàn)證單元,分別驗(yàn)證了脈動(dòng)入口對(duì)網(wǎng)格變異性及雷諾數(shù)變異性的適應(yīng)性。結(jié)果表明,平均速度剖面在驗(yàn)證單元中基本得到保持；由于粗糙度降低,脈動(dòng)入口的湍流度在驗(yàn)證單元中有一定衰減,以邊界層高處更為突出,雷諾數(shù)變異對(duì)湍流度影響較小；速度時(shí)程的功率譜特性保持較好,且受雷諾數(shù)變異性的影響較??；受網(wǎng)格變異的影響,脈動(dòng)來流進(jìn)入驗(yàn)證單元后

9、積分尺度有一定改變。
　　 最后,本文在第六章對(duì)開發(fā)的脈動(dòng)入口進(jìn)行了應(yīng)用研究。將平板和粗面邊界層內(nèi)生成的三類不同湍流強(qiáng)度的脈動(dòng)入口,引入平屋蓋結(jié)構(gòu)的脈動(dòng)風(fēng)壓模擬中,對(duì)其進(jìn)行零度攻角的繞流模擬,研究了模型表面平均、脈動(dòng)風(fēng)壓系數(shù),著重比較研究了雷諾數(shù)及湍流強(qiáng)度兩參數(shù)對(duì)風(fēng)壓系數(shù)的影響；此外,對(duì)鈍體結(jié)構(gòu)上風(fēng)壓的概率特性及陣風(fēng)風(fēng)壓的預(yù)測(cè)也進(jìn)行了探討。結(jié)果表明,脈動(dòng)入流下,建筑表面的平均、脈動(dòng)風(fēng)壓系數(shù)與風(fēng)洞試驗(yàn)基本吻合。雷諾數(shù)和湍流強(qiáng)度是影

10、響鈍體結(jié)構(gòu)表面平均、脈動(dòng)風(fēng)壓系數(shù)的兩個(gè)重要因素。當(dāng)繞流雷諾數(shù)增大時(shí),分離區(qū)的平均負(fù)壓以及風(fēng)壓均方根均有所增大。隨著來流湍流強(qiáng)度的增大,模型屋蓋、側(cè)壁上的最大負(fù)壓區(qū)向迎風(fēng)邊緣及迎風(fēng)邊緣角部移動(dòng),且最大負(fù)壓值也顯著增大；迎風(fēng)面、屋蓋和側(cè)壁上風(fēng)壓均方根隨湍流強(qiáng)度增大而顯著增大。受鈍體特征湍流影響,屋蓋上分離區(qū)風(fēng)壓時(shí)程具有非高斯概率特性,尤以氣流分離較劇烈的屋蓋迎風(fēng)邊緣及屋蓋兩側(cè)風(fēng)壓的非高斯特性明顯,該特征與風(fēng)洞試驗(yàn)基本一致。受非高斯特性的影響