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NSRFG方法的标准地貌风场大涡模拟研究

大涡模拟中入流湍流的准确模拟,是计算风工程领域当前研究的热点;准确定义与各类地貌大气边界层湍流特征相符的入流边界条件,是进行建筑结构风效应研究的前提(也是当前研究的难题)。该文在新提出的以湍流合成法为基础的LES入流湍流生成技术—NSRFG方法上,研究了数学模型中若干参数的适当取值问题。通过数值分析对采样频率间距Δ?、引入的时间尺度因子τ₀和空间尺度因子θ、衰减系数cj及调谐因子γ_j等重要参数进行敏感性研究,分析了上述参数的取值对所生成湍流脉动风速功率谱、均方值和空间相关性等模拟结果的影响;在此基础上建议了一套与中国规范四类标准地貌风场相对应的参数表,从而建立基于该方法的"标准数值风场模型";通过实例对四类标准地貌边界层湍流风场进行数值模拟和平衡态检验。研究表明:上述关键参数的赋值对采用NSRFG方法进行大气边界层湍流风场的重构影响显著,该文基于NSRFG方法所建议的标准地貌数值风场模型,对研究者采用LES进行结构风工程的数值模拟研究具有一定的参考价值。     

冲击射流与壁面射流风剖面特征比较和影响因素参数化分析

该文分别采用冲击射流模型和壁面射流模型作为下击暴流的风场模型,采用基于雷诺平均法(RANS)的RNG k-ε湍流模型进行数值模拟获得下击暴流的稳态风场。在数值模拟基础上,通过改变模型参数,如冲击射流模型中初始出流直径D_jet、出流高度与出流直径比值(H/D_jet)和出流速度V_jet;壁面射流中初始出流宽度H_jet和出流速度V_jet,分别计算得到多种情况下的下击暴流风剖面,详细分析了这些初始参数对下击暴流风剖面特征的影响。冲击射流与壁面射流风剖面的对比表明二者风速水平分量在径向各位置均吻合良好,都给出了下击暴流水平分量风剖面的主要特征;但二者的风速竖向分量在径向各位置差异较大。总体来说,在结构风工程领域中仅关心风速水平分量时,壁面射流模型也可以作为下击暴流风剖面模拟的模型。通过壁面射流模型把冲击射流的出流区域分离出来,可以在大气边界层风洞中实现大比例尺的下击暴流出流风的模拟。     

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。     

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。     

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。     

基于LES模型的近地脉动风场数值模拟

符合近地脉动风场特性的LES脉动入口条件是准确模拟结构表面时变风压的必要条件。该文基于LES模型对平板湍流边界层进行模拟,采用周期边界条件实现脉动输入,并将顺压力梯度引入流体控制方程以维持湍流边界层的稳定。数值结果表明,采用周期边界条件可成功实现脉动输入,边界层在顺压力梯度下的自保持性良好,可满足工程需求。顺流向平均流速剖面以及湍流强度剖面均满足低湍流下的风场特性,数值结果可为我国B类地貌下抗风研究采用。     

亚格子尺度湍流特性研究

采用大涡模拟方法模拟了雷诺数ReH=18,400的后台阶湍流流动,研究了亚格子尺度湍流动能和湍流耗散的特性。给出了后台阶湍流流动的流场结构以及亚格子湍动能和亚格子湍耗散的空间分布结果,比较了大涡模拟预报湍流粘性以及等效计算粘性。研究表明,亚格子尺度湍动能和亚格子湍耗散随着流动在空间的发展而呈现减弱趋势,回流区内亚格子湍动能和耗散较弱;在台阶截面(y/H=1处)亚格子湍动能和耗散最大。亚格子湍动能小于脉动动能统计量,亚格子粘性小于等效湍流模型粘性预报结果。     

多孔介质模型在SMBR中模拟应用研究

利用计算流体力学(CFD)中多孔介质模型能较好地反映渗透、膜阻力和抽吸压力等特点,在浸没式膜生物反应器(SMBR)中对流体力学问题进行数值模拟,并将结果与壁面模型进行比较分析.模拟结果表明,在相同液相入流速度和曝气速度下,多孔介质模型模拟得到的膜组件内部液相平均流速随着高度升高,先升后降趋势明显,波动少;膜面剪切力和湍动能变化更平稳.相比于壁面模型,结果更接近SMBR实验数据,误差率小,模拟更真实可靠.     

船舶搁浅于台型礁石中的等效板厚法研究

给定油船双层底结构在具有较大接触面的台型障碍物上发生滑移的搁浅场景,利用等效板厚法对该过程的搁浅性能进行研究。Paik提出的等效板厚计算公式中,扶强材影响系数k是衡量扶强材的作用的重要参数。该文对扶强材影响系数k取值进行了全面深入的研究。通过有限元数值仿真技术进行研究,选取一个油轮舱段的双层底结构为研究对象,并建立了两个有限元模型:含有扶强材的模型与采用等效板厚法简化后的模型。利用数值仿真计算结果对比研究,确定了不同撞深和礁石角度条件下系数k的取值。研究成果为扶强材影响系数取值提供了计算依据,提高了等效板厚法分析船舶的搁浅性能的预报精度。     

甲烷-空气火焰法合成纳米颗粒中火焰的数值模拟

基于甲烷-空气火焰法合成纳米颗粒的实验,建立了二维轴对称湍流火焰模型,在标准壁面函数和非平衡壁面函数的近壁面处理条件下采用RSM、Standard k-ε和RNG k-ε湍流模型对实验中的火焰进行数值模拟,给出了火焰温度场和火焰长度的数值计算结果。通过与实验结果对比,确定了用非平衡壁面函数下的RNG k-ε湍流模型进行火焰数值计算的合理性。用此模型对不同甲烷、空气流速下的火焰进行模拟,分析了影响温度场分布的主要因素,并与实验结果进行比较,两者相符,从而证明了该模型的有效性。     

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。     

球形喷口送风射流的数值模型探讨

采用CFD方法对球形喷口单股等温自由射流进行数值模拟研究.提出一种描述球形喷口入流边界条件的风口数值模型-湍流发展模型,同时对另外两种球形喷口送风射流风口数值模型进行流动数值模拟.将三种风口模型计算得到的送风射流轴向和断面速度分布结果与经典射流公式的结果进行对比,表明湍流发展模型是一种较为合理的喷口射流数值模型.     

基于iDDES的双三角翼大迎角非定常涡破裂特征分析

采用基于两方程k-ω-SST模型的iDDES方法对80°/65°双三角翼涡破裂流动进行了数值模拟,获得了迎角α=30°~40°范围内,涡破裂在双三角翼主翼面上方发生时的气动力、表面压力、空间涡结构、湍动能等流动信息,在与风洞实验充分比对的基础上,详细分析了涡破裂发生时的涡破裂形态,表面压力均方根值分布,非定常气动力、表面压力脉动等流动特征,对涡破裂与气动力频谱、表面压力/压力脉动、空间速度、湍动能分布之间的相互关系进行了阐述,并分析了以这些流动信息为判据得到的涡破裂位置之间的相关性。     

高层建筑周围定常风场的数值模拟

通过对高层建筑周围定常风场的数值模拟与原型试验结果的比较，分析了在进行数值模拟时，入口边界条件和湍流模型等因素对计算结果的影响。模拟结果表明，入口边界条件和湍流模型均对模拟结果具有较大影响。其中，入口边界条件中速度分布对计算结果的影响大于湍流强度分布对计算结果的影响，而RNGk-s湍流模型的计算精度优于标准κ-ε湍流模型。     

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。     

基于三维粗糙元的新型边界层转捩控制技术研究

三维离散型粗糙元是一种具有广阔应用前景的新型边界层转捩诱导与控制技术。针对二维粗糙带转捩位置滞后、难以控制横流转捩的固有缺陷,提出了一种基于三维离散型粗糙元的新型边界层转捩技术。理论估算了离散型粗糙元的外形参数,研制成功了固化快、易于成型且附着力强的粗糙元配方及高精度制作工艺。选用二维翼型和三维组合体模型,采用测压、测力、升华法和红外成像法,风洞实验验证了离散型粗糙带的转捩和附加阻力特性。通过数值计算研究了粗糙元的尺度效应,获得了粗糙元直径d、高度k和间距l对其转捩特性的影响规律。研究结果表明,该新型离散型粗糙带附加阻力小,转捩位置准确,性能可靠、稳定。该文所得成果为固定转捩风洞实验与层流控制创建了一种新的技术手段,同时也为进一步开展离散型粗糙元的转捩机理研究提供了参考依据。     

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。     

高超声速激波/边界层干扰及MVG阵列流动控制研究

高超声速飞行器流场中通常会伴随激波/边界层干扰(SWBLI),其引发的流动分离将导致进气道性能下降。该文采用湍流分离涡(DES)方法、结合有限体积离散方法对来流马赫数为7流场中SWBLI诱导的分离气泡进行数值研究,模拟结果清晰地显示了分离气泡从产生到充分发展的具体过程,揭示了分离气泡的产生机理。利用微型涡流发生器(MVG)阵列对其进行控制,讨论了流场结构、壁面静压力、壁面剪切力及总压损失等参数变化对SWBLI控制效果的影响。结果表明:MVG阵列可显著改变高超声速流体边界层,使得分离气泡尺寸减小,分离激波强度减弱,分离气泡内及其下游流体的流向速度梯度增加,总压损失降低可达1.9%。     

亚声/声速射流式调制气流声源气动模拟研究

考察了不同湍流模型及近壁面处理对调制射流下游边界层分离区域的预测精度,对比不同网格结构和密度的流场数值解,获得了较为理想的网格无关稳态模拟结果。在此基础上,数值模拟获取了不同气室工作压力条件下气流声源性能参数,分析了正弦调制频率为100Hz瞬态流场对应的脉动声源形成过程。该计算模型便于大功率气流声源的工程设计、性能预测和加深对换能机理的理解,同时也为探索新的声源性能提升途径和预测声源辐射声场提供了基础。