近地湍流風(fēng)場的CFD模擬研究.pdf

1、近地的湍流風(fēng)場是結(jié)構(gòu)風(fēng)工程的主要研究對象，CFD數(shù)值模擬方法具有費用少、周期短、結(jié)果豐富、便于參數(shù)分析的優(yōu)勢，是一種正處于成長期的風(fēng)工程研究方法?，F(xiàn)有下?lián)舯┝黠L(fēng)場的經(jīng)驗?zāi)Ｐ途炔桓咔疫m用范圍有限，而移動型下?lián)舯┝髦械姆瞧椒€(wěn)荷載也一直沒有得到較好的模擬。山地地形風(fēng)場研究對結(jié)構(gòu)抗風(fēng)設(shè)計荷載的確定，風(fēng)機的微觀選址和風(fēng)資源評估都具有重要的意義。陣風(fēng)的影響在行人風(fēng)環(huán)境評估中不容忽略，而基于CFD評估行人風(fēng)環(huán)境的研究還較少。局部脈動風(fēng)壓峰值數(shù)倍于平

2、均風(fēng)壓，能夠成倍的放大結(jié)構(gòu)響應(yīng)，而在 CFD中實現(xiàn)脈動風(fēng)壓的模擬是目前的難點。針對風(fēng)工程中存在以上問題，本文的工作主要包括以下幾個部分：
　　提出了新的三維穩(wěn)態(tài)軸對稱靜止型下?lián)舯┝骱捅诿鏇_擊射流風(fēng)場中徑向速度的豎向形狀函數(shù)，并改進(jìn)了現(xiàn)有徑向速度的徑向形狀函數(shù)的可調(diào)節(jié)性和精度?；诹黧w力學(xué)質(zhì)量守恒方程，提煉了由徑向速度形狀函數(shù)推導(dǎo)豎向速度的形狀函數(shù)的通用方法。引入邊界層厚度特征尺度相關(guān)的變量：Zm(γ)（δ(γ)），γm(z)和μm

3、(z)，使經(jīng)驗?zāi)Ｐ湍軌蚩紤]下?lián)舯┝鬟吔鐚拥姆蔷€性發(fā)展。通m過與CFD結(jié)果的對比分析，驗證了改進(jìn)模型的適用范圍和精度。在CFD中引入大氣邊界層風(fēng)場，再現(xiàn)了著名的AFB移動下?lián)舯┝魇录?，與實測數(shù)據(jù)在風(fēng)速、風(fēng)向兩方面均有較好的吻合，并揭示了移動下?lián)舯┝髦谐跏茧A段，成熟階段，及在FFD（Front Flank Downburst）和RFD（Rear Flank Downburst）中長度尺度cR的差異。
　　使用風(fēng)洞試驗方法研究了六種典型

4、地形（15°，30°，45°的山坡和山脊）在草地和森林植被覆蓋下的風(fēng)場特征，得到了坡頂和背風(fēng)坡的風(fēng)速比分布，并歸納了坡度、山體形狀和地表粗糙度對地形中風(fēng)速比的影響，在與多國荷載規(guī)范對比后，對我國荷載規(guī)范的地形修正條文提出了5點修改建議。CFD模擬了某真實復(fù)雜山地地形在兩次強風(fēng)過程中的風(fēng)場分布，通過與9個觀測站上的實測數(shù)據(jù)的對比和誤差分析，得到了CFD模擬復(fù)雜地形風(fēng)場的最佳湍流模型和網(wǎng)格尺度。綜合 CFD模擬的風(fēng)速比分布與當(dāng)?shù)爻Ｄ隁庀筚Y料

5、，提出了復(fù)雜地形全風(fēng)向風(fēng)資源評估方法。
　　提出了綜合考慮平均風(fēng)和陣風(fēng)影響的評估標(biāo)準(zhǔn)。結(jié)合某半開敞式的大跨空間建筑，統(tǒng)計了該地區(qū)44個氣象觀測站點連續(xù)3年逐小時的平均風(fēng)速觀測資料，估計了不同風(fēng)向的平均風(fēng)速概率分布參數(shù)。使用CFD數(shù)值風(fēng)洞技術(shù)，獲得了8個風(fēng)向行人高度的風(fēng)場分布；基于行人風(fēng)環(huán)境評估的超越閾值概率方法，給出了場地全風(fēng)向超越不舒適風(fēng)速閾值的概率分布圖，結(jié)合評估標(biāo)準(zhǔn)評價了該建筑的行人風(fēng)環(huán)境。
　　采用大渦模擬結(jié)合一種新

6、的湍流脈動流場產(chǎn)生方法 DSRFG（discretizing and synthesizing random flow generation），實現(xiàn)了風(fēng)洞入口實際的湍流邊界輸入。結(jié)合實際大跨度屋蓋結(jié)構(gòu)，通過大渦模擬能夠獲得的脈動風(fēng)荷載特性與風(fēng)洞試驗結(jié)果的對比分析發(fā)現(xiàn)：大渦模擬在分離區(qū)的結(jié)果更合理，脈動風(fēng)壓系數(shù)比風(fēng)洞試驗稍大，較好的再現(xiàn)了屋蓋前檐、中部和后部的風(fēng)壓力譜和概率分布特征，捕捉到了分離區(qū)壓力脈動的非高斯特性及間歇現(xiàn)象，脈動壓力橫