大气边界层大涡模拟入口湍流生成方法综述

随着计算资源的飞速发展以及数值模拟技术的不断进步,大涡模拟被越来越多地应用于结构风工程领域的研究。运用大涡模拟准确模拟结构风效应的关键问题之一是生成满足大气边界层风场特性的入口湍流条件。预前模拟法和人工合成法是目前主流的两类大涡模拟入口湍流生成方法。该文阐述了不同入口湍流生成方法的基本原理,并梳理其在结构风工程领域的发展。从结构风工程研究的角度出发,对比分析不同方法的特点及适用性。最后,针对当前大气边界层大涡模拟入口湍流生成方法存在的问题,提出了未来研究的展望。     

大气边界层大涡模拟入口湍流生成方法研究

生成满足大气边界层风场特性的入口湍流是开展结构风效应大涡模拟的关键问题之一。该文的主要目的是验证并探讨两类主要的大气边界层大涡模拟入口湍流生成方法的合理性与可行性。采用CDRFG(Consistent Discretizing Random Flow Generation)方法和被动模拟法生成大气边界层风场,从统计特性、流场结构和计算效率等方面进行对比分析,比较不同网格系统下的数值模拟结果,提出结构风效应大涡模拟的网格划分策略。结果表明:相比于CDRFG方法,被动模拟法生成的流场结构更加合理,但无法预先考虑脉动风场的空间相关性,且需要较高的计算成本和先验的流场信息。计算域的网格分辨率对于统计特性和流场结构的模拟精度具有重要影响,而目标区域的网格分辨率应依据控制工程结构风致响应的主要频带范围确定。     

弱罗马图和图的弱罗马控制的一些性质

罗马控制是一个有丰富历史背景和数学背景的典型控制问题,它与计算机科学、交通安全监管控制、企业安全生产监管控制、组合优化、监视系统和社会网络等领域密切相关,具有重要的理论意义和应用价值。图的弱罗马控制数是图的弱罗马控制函数的最小权,记为$\gamma_{r}(G)$。图 $G$ 的控制集的最小基数称为最小控制数,记为 $\gamma(G)$。若图 $G$ 满足 $\gamma_{r}(G)=2\gamma(G)$,则称图 $G$ 是弱罗马图。用构造法确定了路 $P_{3}$,星 $K_{1, t} (t\geq2)$,由星 $K_{1, t_{1}},K_{1, t_{2}},\cdots,K_{1, t_{n}}\,(t_{i}\geq3, i=1,2,\cdots,n)$ 的中心点依次连接成一条路所构成的树 $T$,或由它们的外点连接构成的树$T$ 是弱罗马图,并给出了弱罗马图和图的弱罗马控制的一些性质。     

湍流边界层中三维山丘地形风场大涡模拟

利用谐波合成法生成粗网格的脉动风速时程,通过双线性插值得到入口节点时程数据,考虑时程互相关性对时程进行修正得到大涡模拟湍流入口。采用谱元法对两种不同坡度的三维山丘地形进行大涡数值模拟,将结果与风洞试验及有限体积法数值模拟进行对比。结果表明:大涡模拟能较准确地预测山丘地形的风场及湍流特性;与有限体积法相比,谱元法的计算效率更高,在复杂山地地形的风场预测上有较好的应用前景。     

平衡大气边界层自保持问题的研究

在计算风工程(CWE)中,实现大气边界层(ABL)来流边界条件的自保持是基本前提条件,然而在很多已发表的文献中这一基本要求被忽视或未得到满足。该文首先回顾了已有研究者对该问题的研究进展,基于SST k-ω湍流模型和平衡湍流假设,推导了适用于一般风工程计算的入口来流边界条件表达式,并结合作者的工作经验给出了适用于地形尺度风场计算的湍流模型常数建议值。随后通过三维平坦场地数值模拟检验所生成风剖面的自保持特性,效果理想。最后对实际山地地形风场进行建模计算,所得结果与现场实测数据基本吻合。     

湍流入口条件下建筑非定常风场的大涡模拟

考虑湍流入口条件对绕德州理工大学标准模型的三维非定常风场进行了数值模拟;比较了稳态入口边界条件下时均风速剖面形状对建筑表面压力分布的影响;分别采用旋涡法、谱合成法和预前模拟法生成湍流入口风速脉动;并将相应的大涡模拟结果与实测数据和风洞试验数据进行了对比分析。结果表明:时均风速剖面形状对时均流场的影响几乎可以忽略,但对瞬态流场的计算有很大影响,工程应用中建议根据当地实测数据修正风速剖面公式;采用由预前模拟法生成的湍流作为入口边界条件进行大涡模拟得到的建筑表面风压非定常特性与实际情况最为吻合;通过高精度插值算法,预生成的入口湍流时程数据能在位于相同地貌下不同建筑绕流的大涡模拟中反复使用,在一定程度上弥补了预前模拟耗时的缺陷。     

基于大涡模拟的大气边界层湍流强度对低矮房屋风荷载特性影响研究

对德州理工大学(Texas tech university,TTU)低矮房屋标准模型,以已有现场实测以及缩尺模型风洞实验数据为验证对比,基于大涡模拟(Large-eddy simulation,LES)方法研究了大气边界层湍流强度对低矮房屋风荷载特征的影响机理。采用CDRFG (Consistent discretizing random flow generation) 人工合成湍流方法生成大气边界层湍流,研究了来流湍流度对低矮建筑表面的平均、脉动以及极小值风压分布以及风压非高斯特性的影响,并利用LES能提供非常场流动全流域信息的优势,结合瞬态湍流场结构对大气边界层湍流对低矮房屋风荷载特征的影响机理进行了阐释。结果表明:LES数值模拟得到的平均、脉动及极小值风压系数与实验以及实测结果一致,平均风压结果包络在实测误差范围以内,极小值风压系数最大误差小于10%,脉动风压系数最大误差小于20%且误差区域较小。在来流湍流度增大的过程中,低矮房屋屋面平均风压系数变化较小,脉动风压系数呈显著的线性增加;极小值风压系数变化规律相对复杂,呈现出非线性减小的趋势,风压系数极小值可达?5.0;屋面涡脱强度逐渐被抑制,锥形涡迹线与屋面迎风前缘的夹角由14.4°下降至8.7°。屋面风压非高斯特性主要与屋面形成的涡旋结构相关,表现出典型的右偏软化非高斯过程,且随着来流湍流度的增加风压非高斯特性逐渐减弱。从流场的角度来看,湍流度的增加抑制屋面迎风前缘柱状涡以及锥形涡的形成,加快流动分离的再附,减少分离泡尺度,同时提高了屋盖周围的湍流高频能量成分,从而使脉动风压增加,极小值风压减小以及风压非高斯特性减弱。该研究阐明了大气边界层湍流对低矮房屋风荷载特性的影响机理,有助于进一步理解低矮房屋风致破坏机理,并且为低矮房屋的抗风设计及抗风性能优化提供重要参考。     

标准低矮建筑TTU三维定常风场数值模拟研究

基于专业计算流体动力学软件平台FLUENT6提供的标准k?ε等多种湍流模型对大气边界层中的TTU(Texas Tech University Building Model)标准低矮建筑的定常风场进行了数值模拟,并将计算结果与场地实测数据及同济大学TJ-2风洞试验结果进行了比较。结果表明,多种湍流模型均能为工程应用提供有效参考,且对于此种体形简单的建筑复杂的雷诺应力模型的预测结果并不优于简单的涡粘模型,这为钝体绕流现象的数值模拟研究提供了有利依据。     

各向同性衰变湍流的直接数值模拟研究

该文对各向同性衰变湍流进行了直接数值模拟。获得了衰变湍流的瞬态特性,研究了在谱空间以波数为半径的不同球面处能量分布的特性。计算结果显示:在谱空间的每一个球面或波数处,动能与拟涡能都有一定的分布范围。在大部分的波数处,能量的分布跨越了几个量级。在同一动能与拟涡能处,波数的分布也有着较大的跨度。在相同的无量纲波数处,动能与拟涡能的概率密度函数(PDF)有着相同的分布形状,且不随湍流的衰减而改变。当运动尺度远离Kolmogorov尺度时,不同波数处拟涡能的PDF 分布形状有着较好的一致性。当运动尺度逐渐接近Kolmogorov 尺度时,PDF 分布的形状逐渐发生变化,PDF 的峰值向低拟涡能处移动且峰值增大,高拟涡能区域的PDF值有所降低。     

对流边界层的水平温度场研究

本研究运用对流水槽模拟研究了均匀下垫面自由对流边界层的水平温度场结构特点．按照几何相似、运动相似和动力相似等要求设置初始条件和边界条件实施模拟。对流水槽的尺度为1．5m×1．5m×0．6m,先加入具有一定温度层结的去离子水,然后底部加热形成对流,模拟对流边界层的发生和发展．运用快速响应的温度传感器测量温度廓线和不同高度上的温度起伏：运用准直光闪烁原理获得光学湍流场．按照温度廓线和光学湍流场的结果得到对流边界层厚度和稳定度等参数．按照不同高度的水平脉动温度,运用AR谱方法研究水平温度谱峰值频率所对应的尺度,该尺度对应于对流边界层的准二维对流热泡的水平尺度。统计研究结果表明,自由对流边界层大涡的水平尺度在边界层的下部随高度的增加而增加,约在0．65倍边界层厚度处达到最大,然后随高度的增加又逐渐减小。物理模拟和数值模拟和野外观测结果一致．按照对流热泡的这种特点,提出了一个自由对流边界层的热泡模型．     

运动方程自适应步长求解的高性能Galerkin时程单元初探

该文以一阶运动方程为例,利用其非自伴随性质,构建了新型的凝聚检验函数,进而提出了一套高性能Galerkin有限单元——凝聚单元.该单元为无条件稳定的单步法单元,对于(m)次多项式单元,其端结点位移和速度均可达到O(h2(m)+2)阶的超高收敛性,比常规Galerkin单元的结点精度高2阶.采用此单元,该文进而实现了无需...     

基于IBM法的低雷诺数下涡激振动高质量比效应的研究

由深圳市赛格广场大厦在低速风场作用下的强烈有感振动事件可知,高质量比系统的振动问题仍较突出。为澄清涡激振动中的高质量比效应,该文采用一种锐利界面浸入边界法,通过C++编程计算了低雷诺数(Re=80~150)流场中,不同高质量比(m*=14.8~280)、阻尼比(ζ=0.0012~0.036)和质量-阻尼比组合m*ζ对涡激振动的影响。结果表明:通过与文献和实验结果的对比,验证了该方法的准确性和有效性;在高质量比情况下,Re<100时,结构发生"弱锁定"现象,Re=100~130时,发生传统的"锁定"现象,且发生共振时Re=110,位于锁定区间靠近Re数较小的一侧,当Re=130时,开始摆脱锁定,且升力与振动响应出现"相位突变"现象;m*、ζ对锁定区间的影响并不大,但是质量-阻尼比组合m*ζ相同时,质量比对涡激振动的影响更加显著,即质量比低的结构系统发生涡激振动时的锁定区间更广(Re=90~140),m*=14.8的高质量比系统比m*=148的较高质量比系统提高了1.67倍,而且共振时对应的雷诺数也减小;发生共振时,尾涡脱落均为"2S"模态,最大振幅均为0.5D左右,无太大变化,即高质量比和较高质量比对振幅和锁定区间的影响并不大,但是随着ζ的增加,振幅比Y逐渐减小,振动受到了抑制。     

Exponential fitting using integral equations

The fitting of a function y =\documentclass{article}\pagestyle{empty}\begin{document}$ \sum\nolimits_{i = 1}^n {A_i {\rm{e}}^{\lambda ix}} $\end{document} to experimental data is considered. Integral equations are developed which have the functions \documentclass{article}\pagestyle{empty}\begin{document}$ \sum\nolimits_{i = 1}^n {A_i {\rm{e}}^{\lambda ix}} $\end{document} as their solutions for n = 1, 2, 3, These integral equations are used to find the frequencies λ_i. Examples are worked out to illustrate the method. The method is shown to be capable of extension to other functions.     

Numerical integration of structural dynamics equations including natural damping and periodic forcing terms

This paper shows that it is comparatively simple to analyse algorithms for the numerical integration of the Space discretized equations from structural dynamics when applied to \documentclass{article}\pagestyle{empty}\begin{document}$\ddot x + \mu \dot x\omega ^2 x = p{\rm e}^{ist} $\end{document}, instead of the usual \documentclass{article}\pagestyle{empty}\begin{document}$ \ddot x + \omega ^2 x = 0 $\end{document}, and suggests that this should be done in order to gain some insight into the effect with natural damping and/or a periodic forcing term. The method is illustrated on some three- and four-time-level schemes.     

Preconditioning of the second‐kind boundary integral equations for 3D eddy current problems

Starting from the time‐harmonic Maxwell equations at low‐frequency eddy current approximation the H–? formulation is presented. An equivalent system of boundary integral equations of the second kind on the conductor surface (resp. the conductor/dielectric) is derived. Discretizing these equations with a boundary element method (BEM) yields a block linear equation system \[ \left[\begin{array}{cc} A_{1} & B_{1} \\ \tfrac{\mu}{\mu_{0}}\tilde{B}_{2} & A_{2}\end{array} \right] \left( \begin{array}{c} j \\ \sigma \end{array} \right)=\left(\begin{array}{c} b_{1} \\ b_{2}\end{array} \right) \] with a fully populated stiffness matrix. This system is non‐symmetric and, for large μ/μ₀ (of interest in practice) ill‐conditioned. Iterative solvers like GMRES converge very slowly, in general. We propose a new preconditioner which depends on μ. We present numerical results with a serial and parallel version of this preconditioner also on large industrial eddy current problems with compex geometry. The performance of preconditioned GMRES is found to be practically independent of μ/μ₀. Copyright © 2001 John Wiley & Sons, Ltd.     

Turbulent diffusion of passive impurities

It is shown that in turbulent flows with a divergent Lo $\overset{\lower0.5em\hbox{$\overset{\lower0.5em\hbox{ tsyanski $\overset{\lower0.5em\hbox{$\overset{\lower0.5em\hbox{ integral, the coefficient of turbulent diffusion may be determined by pulsations whose scales are comparable with those of the liquid itself rather than by the largest-scale turbulent vortices. This is a new physical mechanism which must be taken into account to explain the experimentally observed phenomenon of impurity “hyperdiffusion” in turbulent media. The contribution of large-scale pulsations increases substantially with the onset of turbulence regimes which are accompanied by the spontaneous generation of structures comparable with the dimensions of the liquid.     

基于POD的大涡模拟入流脉动合成方法研究

针对并行计算特点,发展适用于流体并行计算的大涡模拟(Large Eddy Simulation,LES)入流脉动直接合成方法。基于特征正交分解(Proper Orthogonal Decomposition, POD)型谱表示法合成入流面主要网格点脉动风速时程,采用有限元形函数空间插值获得入流面所有网格点风速时程,采用UDF(User Defined Functions)编程实现Fluent软件平台流体并行计算时合成的脉动风速时程读入及赋值。进行B类1:500缩尺比风场内宽高比1：6的单体方形截面高层建筑非定常绕流LES计算,将数值模拟所得风剖面、风速谱及结构风压系数统计值、自谱、相干性等,与刚性模型测压风洞试验及文献数值模拟结果比较。研究表明,该合成方法可较好模拟紊流风场,预测结构风荷载具有一定精度。     

Lebensdauer- und Dauerfestigkeitsabschätzung von zugdruckwechsel- und zugschwellbeanspruchtem Stahl mittels Temperaturmessung

Estimation of the Endurance and the Fatigue Limit of Steel by Measuring Specimens′ Temperatures. Microplastic deformation processes are pre-requisites for fatigue crack formation within metallic materials. If the testing frequency of a specimen, cyclically stressed by a progressively-increasing load test, is not too low it is no great metrological problem to ascertain that special stress amplitude, σ_f,th (f ? fatigue limit, th ? thermometrical), at which specimen's temperature begins to rise due to the start of ‘remarkable’ microplastic deformations. Investigations of this kind, recently carried out by rotating bending showed a very good correspondence between σ_f,th and a statistically ascertained estimate of the fatigue limit, \documentclass{article}\pagestyle{empty}\begin{document}$ \hat \sigma _{({\rm P} \simeq {\rm 0}\%{\rm)}} $\end{document} (P ? Probability of fracture), derived from comparatively performed Wöhler-tests. The purpose of this paper is to investigate the relationship between σ_f,th and \documentclass{article}\pagestyle{empty}\begin{document}$ \hat \sigma _{({\rm P} \simeq {\rm 0}\%{\rm)}} $\end{document} for some carbon steels when cyclically stressed by push-pull and pulsating tensile loading, respectively. Both, unnotched and notched specimes were tested. Moreover, thermometrically monitored Wöhler-tests revealed that temperature measurements can provide a short-cut prediction of specimens′ lives. Above all it has to be mentioned that a reliable clue is gettable at a very early experimental stadium whether the cyclic stressed specimen will later become a ‘break’ or – normally much later – a ‘run-out’.     

An iterative technique for fitting exponentials

An interative method to fit the function \documentclass{article}\pagestyle{empty}\begin{document}$\mathop \[y = \sum\nolimits_i^n { = 1} a_i e^{lix}\] $\end{document} to data is considered. The technique used is that of inversion of a linear differential operator with constant coefficients. This method reproduces the parameters for mathematically precise data and gives satisfactory results when the data are affected by random errors.