数值模拟大气边界层中解决壁面函数问题方法研究

在雷诺平均N-S方程湍流模型框架内,壁面函数常用来模型化壁面附近的低雷诺数流动。探讨基于标准湍流模型数值模拟大气边界层中出现的壁面函数问题。在已有标准壁面函数基础上,通过增加一个附加项来模型化地表上面建筑结构等粗糙元由于大小不一、错乱分布对地表附近空气流动产生的附加影响。通过模拟缩尺比为1∶300的具有较大空气动力学粗糙长度的中性大气边界层,以及缩尺比为1∶50的TTU低矮建筑模型在中性大气边界层内的绕流,对附加项的有效性和使用场合进行评估和说明。结果表明:附加项对于解决壁面函数问题,即在计算域内保持来流边界条件是必要的。     

基于k-ε模型模拟平衡态大气边界层的比较研究

平衡态大气边界层的准确模拟是计算风工程领域的基础性难题,也是研究热点问题之一。该文首先对近年来国内外针对这一问题的理论研究成果按入流边界条件、湍流模型参数、附加源项模型以及壁面函数模型等四个方面进行了全面梳理和系统总结,并建议了一组新的标准k-ε模型湍流模型参数和通用壁面函数模型表达式。接着,采用计算流体动力学方法,建立简单边界层流动数值风洞模型,按照以上四种类别采用递进的方法对这些理论成果进行了详细的数值模拟验证和比较分析。结果表明:基于湍动能k方程解析解的入流边界条件并不必然会生成平衡态边界层,它和湍动能剖面的数学模型表达形式关系很大;除入流湍流边界条件外,湍流模型参数取值及壁面函数对平衡态大气边界层的模拟亦有较大影响,而增加源项并不能有效改善速度和湍动能剖面在整个流域范围的自保持性。该文对这一类问题的研究具有一定参考价值。     

基于k-ε模型模拟平衡态大气边界层的比较研究

平衡态大气边界层的准确模拟是计算风工程领域的基础性难题,也是研究热点问题之一。该文首先对近年来国内外针对这一问题的理论研究成果按入流边界条件、湍流模型参数、附加源项模型以及壁面函数模型等四个方面进行了全面梳理和系统总结,并建议了一组新的标准k-ε模型湍流模型参数和通用壁面函数模型表达式。接着,采用计算流体动力学方法,建立简单边界层流动数值风洞模型,按照以上四种类别采用递进的方法对这些理论成果进行了详细的数值模拟验证和比较分析。结果表明:基于湍动能k方程解析解的入流边界条件并不必然会生成平衡态边界层,它和湍动能剖面的数学模型表达形式关系很大;除入流湍流边界条件外,湍流模型参数取值及壁面函数对平衡态大气边界层的模拟亦有较大影响,而增加源项并不能有效改善速度和湍动能剖面在整个流域范围的自保持性。该文对这一类问题的研究具有一定参考价值。     

边界条件对有限长正方形棱柱气动力的影响

通过风洞实验研究了均匀流与湍流边界层中一端固定于壁面、另一端为自由端的有限长正方形棱柱气动力特性。实验模型宽度d=200 mm,高宽比H/d=5。基于自由流风速U_∞与d的雷诺数Re_d=0.68×10~5~5.47×10~5。研究发现,均匀流与湍流边界内有限长正方形柱气动力均不存在明显的雷诺数效应。棱柱局部时均阻力系数C_D、脉动阻力系数C'_D和脉动升力系数C'_L沿展向存在明显差异。湍流边界层会增大C'_D与C'_L。且均匀流中脉动风压与气动力的双稳态现象在湍流边界层内基本消失。经POD分析,确定了对称与反对称等两种典型风压分布状态对脉动风压的贡献率。均匀流中,柱体两端附近风压脉动由对称或准对称风压分布所控制;而柱体中部则由反对称风压分布控制。湍流边界层中所有高度风压脉动均由反对称风压分布控制。两种边界条件下,仅反对称形态的POD模态具有明显周期性并对柱体气动力周期性起支配作用。尽管对称风压POD模态在某些位置占支配地位,但其无明显周期性。     

湍流边界层激励下加筋平板振声响应特性研究

船舶、汽车和飞机等高速运动时,其外壳受湍流边界层壁面脉动压力激励而产生的内场声辐射成为该类交通工具自噪声的重要成分。基于模态叠加法计算结构振动响应。采用湍流壁面脉动压力功率谱Corcos模型,计算了外侧气流或水流湍流边界层激励下简支平板振动及内场辐射声,计算值与解析解和试验值吻合良好,验证了算法的有效性。采用湍流壁面脉动压力功率谱改进型Corcos模型,研究了外侧水流湍流边界层激励下平板及板格的振声响应特性,结果表明:水流马赫数低,壁面脉动压力迁移波数大于平板结构弯曲波数,壁面脉动压力波数-频率谱的迁移脊对平板的激励作用可以忽略;横向或纵向加筋对板格振动速度自功率谱级基本无影响;减小板格宽度与长度之比,适当增大板格流向长度可使平板振动辐射声功率在2 000 Hz以上明显降低。     

单体1:1:6方形截面建筑绕流的大涡模拟

基于Fluent 6软件平台,采用大涡模拟(LES)方法对一宽高比为1:1:6的高层建筑缩尺模型表面的平均和脉动风压进行了数值模拟,并与相应风洞试验结果进行了比较和分析,然后,研究了不同来流湍流度对结构表面风压分布的影响.结果表明:(1)对于类似研究的00风向角下的方形截面建筑来说,结构迎风面风压直接受来流湍流的影响;侧面由于存在流动分离,其风压主要受分离产生的特征湍流的影响,受来流湍流度的影响较小;而背风面处于复杂的尾流区,其表面风压受到的影响因素比较复杂.(2)在风压系数的统计特性和自谱上,LES结果与风洞试验结果均能够基本保持一致,LES方法能够较准确预测结构表面的平均和脉动风压分布.     

粗糙壁面通道内的流动研究

通过对流动中熵产的数值计算,研究了管道和平面通道内流动中粗糙壁面对摩擦的影响.研究表明,在层流流动中壁面粗糙度的影响也是值得重视的,尽管这种效应以往常常被人们所忽视.除了可得到摩擦因子之外,由于可以得知流场中壁面粗糙单元附近的耗散分布,因此可深入理解这一物理现象的本质.为了对粗糙壁面通道内的流动进行简明的描述,需要对壁面位置和粗糙度参数进行合理的选择,并对各种选择方案进行了讨论和评价.     

颗粒状粗糙元对可蚀性地表的保护作用

应用粗糙壁面附近湍流边界层的阻力分解规律,研究了可蚀性地表上散布的颗粒状粗糙元的防风蚀效应。认为按一定密度散布在地表的颗粒状粗糙元(例如粗沙和砾石等),对抑制风蚀起到了两个关键作用:其一,增大地表盖度以减少暴露面积;其二,削弱了暴露面积上的风阻力。基于这一认识,应用量纲分析原理,建立了地表风蚀率与边界层外风速、粗糙元分布密度之间关系的理论公式,并依据有关实验数据分析了公式的可靠性。     

自激振动圆柱体湍流场及发展变化的研究

采用雷诺平均法模拟低质量比弹性支撑的刚性圆柱体在均匀来流中的涡激振动问题,是近年来人们研究的热点。本文采用有限体积法结合SST k-ω湍流模型求解时间平均的纳维尔——斯托克斯方程(RANS),对低质量比弹性支撑的刚性圆柱体在均匀来流中横向振动的三个响应分支（初始分支、上端分支和下端分支）湍流场及其发展变化进行了研究,并与同等雷诺数下固定圆柱体的湍流场进行了对比。结果表明：三个响应分支的流体力系数、壁面压力系数、壁面切应力、流向平均速度、流向速度的脉动、横向速度的脉动、雷诺应力、湍流动能和涡量的分布均与固定圆柱体有明显差异。     

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。     

Experimental and numerical study of granular medium-rough wall interface friction

Wall roughness plays a crucial role in granular medium - rough wall interface friction. In this study, an experimental device has been designed to study the influence of boundary conditions, more specifically wall roughness, on the behavior of sheared granular medium. The study is based on use of an analog model, and consists of simulating roughness by means of notches and grains in the medium by monodisperse beads and on use of a numerical model based on the discrete element method. The test protocol entails displacing at fixed speed notched rods under confined granular medium. Movement of the beads layer near the rods as well as friction of the beads against the rods are both studied herein. Results indicate that the parameter controlling friction at the granular medium - rough wall interface is primarily the depth of beads embedment in surface asperities. The objective of the associated numerical modeling is to supplement the experimental results.     

一种改进的大涡模拟入口湍流生成方法研究

大涡模拟中的入口湍流的生成方法研究,是当前计算风工程领域国内外研究的热点问题。该文在NSRFG(narrowband synthesis random flow generation)方法的基础上,对其中重要参数无量纲长度尺度\begin{document}$\beta$\end{document}、空间相关性\begin{document}$R$\end{document}和调谐因子\begin{document}${\gamma _j}$\end{document}进行深入理论分析,推导了调谐因子\begin{document}${\gamma _j}$\end{document}与无量纲长度尺度\begin{document}$\beta $\end{document}的函数关系,建议了一种改进的入口湍流合成技术——INSRFG(improved NSRFG)方法。利用该方法进行了与规范相对应的4类标准地貌湍流风场的大涡模拟数值仿真;通过对比分析,表明INSRFG方法模拟的大气边界层湍流风场,能较好满足脉动风速功率谱、空间相关性等湍流风场基本特性,并较好实现大气边界层风场模拟中的平衡态基本要求。研究表明,这种新的INSRFG湍流合成方法具有参数取值明确、数学模型简洁、计算效率相对较高的优点,是一种进行建筑结构大涡模拟研究的具有较好前景的通用入口湍流生成方法。     

Flexible discretization technique for DEM-CFD simulations including thin walls

The discrete element method (DEM) coupled with computational fluid dynamics (CFD) method is regarded as a standard approach for a simulation of a gas-solid mixture system. In the DEM-CFD method, the local volume average technique is employed, and hence the fluid motion is calculated based on the void fraction. Although the accuracy of the DEM-CFD method has been improved through lots of studies, inflexibility may become a problem due to the local volume average technique. Specifically, calculations of a gas-solid flow involving thin walls is substantially impossible even by the improved DEM-CFD method. This is because the thin wall cannot be represented when its thickness becomes as large as one grid size due to usage of the local volume average technique. In order to solve this problem, a flexible discretization technique is newly proposed, where the signed distance function and the immersed boundary method are introduced into the dual grid model. In this technique, two kinds of grids are used to calculate the void fraction and the fluid flow. Thus, this technique makes it possible to simulate a gas-solid flow involving a thin wall. Verification and validation tests are performed to show the adequacy of this technique. Through this study, the proposed technique is illustrated to reproduce the exact solution and experimental results in the gas-solid flow involving the thin wall. Consequently, the proposed technique is shown to yield reasonable results in gas-solid flows involving the thin walls.     

低层双坡屋面建筑三维定常风场的数值模拟

基于计算流体力学软件Fluent6.3,首先,选用基于Reynolds时均的标准k-ε等湍流模型对大气边界层中TTU标模的低层建筑三维定常风流场进行模拟分析,并将数值模拟结果与场地实测数据和TJ-2风洞试验结果进行了比较分析;其次,采用RNGk-ε模型分析了不同风向角下,房屋屋面坡度、挑檐长度、檐口高度和长宽比对低层双坡房屋屋面风压系数及各表面体型系数的影响。结果表明:数值模拟较好地反映了低层建筑周围风环境的绕流特性和表面风压的分布情况;迎风墙面均受有正压力,其体型系数受房屋几何尺寸的影响较小,房屋的背风面均承受负压力;屋面坡度及檐口高度对屋面风压分布及风压大小均有明显的影响,挑檐长度的影响较小;屋面的平均风压系数分布和大小与风的来流方向有关。该结论为低层房屋的工程抗风设计提供了依据。     

站台活塞风附壁射流理论建模与求解

给出站台活塞风基本定义,提出站台活塞风附壁射流理论。通过数学建模,得到站台活塞风起始段和主体段的理论数学模型,其中起始段模型解析式分为边界层区、势流核心区和自由剪切区,主体段模型分为边界层区和自由剪切区。通过解析式求解方法和数值模拟分析,获得站台起始段和主体段典型点速度动态变化规律和代表时刻垂直壁面典型截面速度分布,两种方法结果吻合较好。理论计算结果得到了现场实测的验证。     

不同粗糙表面的圆柱风压分布试验研究

通过风洞试验研究了不同表面粗糙度、不同雷诺数条件下二维圆柱的压力分布和阻力特性。结果表明:通过合理地增大表面粗糙度,在相对较低的风速下有效地模拟了圆柱的超临界绕流特性,满足了工程应用对超临界雷诺数的要求。     

Two dimension-reduction probabilistic models for simulating nonstationary turbulent wind fields

The reasonable modeling of a nonstationary stochastic turbulent wind field is an important basis and premise for the analysis of the wind-induced response and reliability of engineering structures. In the present study, two dimension-reduction probabilistic models are established for simulating the multi-dimensional and multi-variable nonstationary turbulent wind fields based on the double proper orthogonal decomposition (DPOD) and the double spectral representation method (DSRM). Among them, the DPOD, originally used to simulate a stationary turbulent wind field, is extended to a nonstationary one, and the DSRM is a newly proposed method for a nonstationary turbulent wind field with a large number of simulation points. In essence, the DPOD is a discrete method with explicit physical significance and flexible spatial location of simulation points, while the DSRM is a continuous method, of which the simulation efficiency is theoretically independent of the number of simulation points. Furthermore, by introducing the dimension-reduction methods based on random function and POD-FFT (Fast Fourier transform) technique into the DPOD and the DSRM, the nonstationary stochastic turbulent wind field can be effectively described with merely three elementary random variables. Numerical examples of the nonstationary stochastic turbulent wind fields acting on a long-span bridge and a communication tower fully verify the effectiveness and superiority of the proposed methods.     

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。