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。     

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。     

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。     

数值模拟大气边界层中解决壁面函数问题的方法研究

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RANS对考虑风向随高度偏转的大气边界层自保持研究

从基本方程出发,通过调整k-ε模型基本参数,对考虑风向随高度偏转的不可压缩中性层结水平均匀稳态正压大气边界层进行了模拟。通过少量网格预前模拟、主模拟和近地面物理量调整三个步骤,对风场的自保持实现方法进行了探讨。研究表明,通过调整k-ε模型基本参数,可以取得与实测较一致的模拟结果。少量网格预前模拟得到的风场应用于主模拟中,各物理量均可以在流域中得到较好的保持。通过ANSYS Fluent中的FixedValues操作进行近地面物理量调整,可以取得更加理想的自保持结果。     

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。     

基于六旋翼无人机搭载风速仪的边界层风剖面实测研究

对基于六旋翼无人机搭载风速仪进行边界层风场测量的可行性进行了研究,分析了实测得到的平均风速和风向角、湍流度、阵风因子、湍流积分尺度与功率谱密度等风场特性参数,并与测风塔上固定安装的风速仪测量结果进行比较.结果表明:基于无人机方法所测得的风速风向值经过修正后与测风塔实测值基本一致,两者误差在±3％以内;基于无人机方法所测...