雷暴风三维脉动风速场数值模拟

基于壁面射流模型,将雷诺应力模型（RSM）计算得出的Reynolds应力张量引入Letchford谱和Panofsky谱,利用大涡模拟（LES）计算得出的脉动风速结果对其进行验算.对偏差较大的风谱函数进行进一步修正,得到与LES计算结果较吻合的自功率谱函数.结合随机流场生成技术和快速傅里叶变换技术,提出满足不可压缩条件和点相干函数的适用于雷暴风三维脉动风速场的高效的数值模拟方法.为了验证该方法的合理性,选取流场中水平径向风速较大处在高度方向上逐点生成三维脉动风速,对每个点的模拟结果从自功率谱函数和时间相关函数两方面进行验证.模拟值与目标值的吻合效果良好,说明采用提出的方法可以高效、准确地模拟出雷暴风的三维脉动风场.     

矩形高层建筑横向湍流脉动风压谱密度函数的分析计算

目的 为计算矩形高层建筑在湍流脉动风压作用下横风向风振动力反应值，推求横向湍流脉动风压谱密度函数．方法 从湍流理论的基本方程出发，在一定假设条件下，根据Taylor关于湍流的“冻结”假定，从湍流基本方程的傅氏变换解可以导出脉动风压谱密度函数的计算公式，并考虑了全部的剪切项．结果 据此计算出的结果在一定条件下其组合值与原型观测数据相吻合．结论 湍流脉动风压谱与日本规范中的扰力谱幅频特性有差别．可以采用CFD（Computational Fluid Dynamics）风场数值模拟结果计算湍流脉动风压谱密度函数与均方根值．     

典型风场分形模拟风速的分形特征分析

对风洞试验中A、B、C 3类风场的风速进行域重新标度法分析和盒维数的计算,验证了不同风场的风速具有不同的分形特征。然后利用包含Weierstrass-Mandelbrot函数的分形模拟方法模拟了A、B、C 3类风场的风速,对比各类风场的分形模拟风速和风洞试验所得的风速的湍流度、功率谱,并且对分形模拟风速进行域重新标度法分析和盒维数的计算。结果表明:包含Weierstrass-Mandelbrot函数的分形模拟方法不仅可以模拟出各类风场的风速的基本特征如湍流度和功率谱,且经域重新标度法分析和盒维数的计算后,还进一步验证了分形模拟风速具有分形特征,所以分形模拟方法可以有效地模拟出不同风场的风速的分形特征。     

大跨度公铁两用斜拉桥三维风速场实测与模拟

为得到沪通公铁两用长江大桥(后简称沪通大桥)桥址区风速时程序列,对沪通大桥开展了现场风速实测,对桥址区的风场特性进行分析,得到基于实测数据的风速谱,并将其与规范给出的风速谱进行参数对比.之后采用基于实测风速谱显式分解的谐波合成法,将该桥的三维脉动风速场简化为多个线状的一维脉动风速场,分别对两个主塔、公路桥面、铁路桥面的脉动风速进行数值模拟,模拟值与目标值吻合较好.结果表明:采用实测的风速谱参数可以很好地得到大跨度桥梁数值模拟三维脉动风场,并与规范给出的统一功率谱有一定的差异性,体现了规范谱应用于不同地区,尤其是复杂气象条件时的局限性.得到的基于实测风特性的大跨度斜拉桥风速时程序列,为桥梁的风振分析提供了基础,具有良好的实用效果.     

大跨度桥梁空间脉动风场的数值模拟

目的 传统谐波合成法(WAWS法)计算量大、内存耗费多,为解决这一问题探讨一种高效又不失精度的脉动风场模拟方法.方法 采用BP神经网络来拟合分解谱密度函数曲线,以减少互谱密度谱的Cholesky分解次数;同时运用离散快速FFT技术来减少谐波项合成所需要的时间,并结合桥梁自身的结构形式及风致响应特点,考虑脉动风场的有关特性,得到一种简化的三维脉动风速场模拟方法.分别采用现有的WAWS法和改进的WAWS法对一结构模型选取多点进行空间多个相关脉动风速的模拟.结果 现有的WAWS法占用内存35.7 MB,耗时134.9 min;改进的WAWS法占用内存4.1 MB,耗时间193 s.改进的WAWS法计算效率明显提高.结论 改进的WAWS法可以高效、准确地模拟出适合大跨度桥梁结构的随机脉动风场.     

汽车排气总管三维流场的有限元分析

建立了排气总管三维流场的有限元模型,用有限元法对排气总管内的湍流流场进行了三维数值模拟、计算,取得了理想的结果,能真实地反映流场的三维特征和湍流特性.     

展向行波电磁力控制下的槽道湍流雷诺应力

为研究槽道湍流的电磁力减阻控制问题,采用直接数值模拟(DNS)方法对槽道湍流的展向行波电磁力控制问题进行数值研究.讨论了由展向行波诱导的诱导流场对槽道湍流流场的调制过程,分析了控制前后雷诺应力离散点分布、平均雷诺应力分布以及雷诺应力波谱分布的规律.研究表明,在合适参数条件控制下,展向行波电磁力的控制不仅使近壁条带结构基本消失,形成加宽的低速条带,而且能使控制后的流场中涡结构几乎消失,而仅剩下由展向行波电磁力诱导产生的带状负涡结构,同时展向行波电磁力在一定程度上抑制了湍流的脉动,减小了雷诺应力,最终使壁面阻力下降.     

基于新的描述湍流耗散方程的k-ζ两方程湍流模型的数值算法研究

对Navier-Stokes方程进行雷诺平均后出现的各关联项建模,通过新的描述湍流脉动耗散的变量构造耗散方程,建立是k-ζ两方程湍流模型,研究了k-ζ两方程湍流模型的数值求解方法.通过求解有限体积法离散的RANS流动控制方程,数值模拟了平板,翼型,机翼等不同湍流流场,并与理论解、实验值及SST k-ω模型进行比较,全面考察了k-ζ两方程湍流模型在湍流流场计算中的准确性及适用性.数值计算表明,通过建立新的耗散方程研究湍流的方法是可行的,目前的k-ζ两方程湍流模型具有良好的数值稳定性,并且计算结果要优于或者至少与传统的两方程模型精度相当.     

LDV用于搅拌槽流场测量的实验研究

对三维激光多普勒测速系统(3D-LDV)和测量原理进行了介绍,同时利用该设备对搅拌槽内的流场进行了湍流测量和流场分析,给出了搅拌槽内的时均速度场分布、脉动速度、湍流动能和雷诺应力等实验结果,为搅拌槽的设计和放大提供了很有价值的实验依据.     

抛物面天线三维随机风场的数值模拟方法研究

针对天线各向尺寸相差不大的结构形式和随机风载的工作状况,考虑到脉动风的相关特性,在脉动风速模拟过程中计入了相位角对模拟结果的影响,建立了抛物面天线结构三维随机风场的模拟方法,并结合Fourier变换方法,运用于随机风场的多点顺风向脉动风速时程模拟。基于Simiu风速功率谱,采用该随机风场模拟方法,对40 m大口径抛物面天线进行三维随机风场模拟,研究了天线旋转后模拟风速的变化,并对模拟样本进行检验。检验结果表明模拟值与目标值吻合良好,从而验证了该方法的有效性。该方法的应用为抛物面天线风振响应计算提供了支持。     

CAARC标准高层建筑三维钝体绕流风场数值模拟

基于计算流体力学软件平台Fluent 6.3,选用基于雷诺平均(RANS)的标准κ-ε、Realizable κ-ε、RNG κ-ε和SST κ-ω4种湍流模型对大气边界层中CAARC标模的单栋高层建筑的三维定常风流场进行模拟分析,并将数值模拟结果与风洞试验结果进行了比较分析.结果表明:数值模拟较好地反映了高层建筑周围风环境的绕流特性和表面风压的分布情况,4种湍流模型均能给出满足工程应用精度的结果.在迎风面时,与试验结果吻合良好;在侧风面和背风面时,数值模拟结果介于NPL与TJ-2试验结果之间.迎风面均受有正压力,在迎风面的2/3高度处为最大,两边及底下最小.建筑物的背风面和侧风面全部承受负压力.4种湍流模型的模拟结果之间差异较小,为高层建筑钝体绕流的研究提供了依据.     

近壁区网格Δy对TTU建筑风场湍流计算的影响

为了研究近壁区网格厚度旬对建筑物风场绕流时湍流计算结果的影响,提高k-ε EARSM湍流模型用于建筑物数值风洞模拟的准确性,结合TTU试验建筑的实测数据,以△y为参数进行了数值风洞模拟。对k-ε EARSM的雷诺方程进行了解析,并推导了旬的简化计算公式。基于准稳态时步逼近技术,计算了（y=0．001、0．005、0．01、0．05和0．1m等5种工况下的时均流态,对绕流特征、湍动能分布和中轴线脉动风压系数、平均风压系数进行了比较。研究表明,过小的△y会导致高湍动区渗透进入近壁区,计算稳定性变差;过大的细则会降低高湍动区计算结果的准确性。据此,给出兼顾模拟精度与计算稳定性要求的△y变化范围为0．01～0．05m;并给出了△y上限值的经验计算公式。     

塔楼群玻璃幕墙碎粒飞行轨迹预测方法

结合某塔楼群玻璃幕墙的风灾实例,进行了塔楼群玻璃幕墙碎粒飞掷物的运动轨迹预测,研究了4种不同风场条件对幕墙碎粒飞行轨迹的影响。首先,在对大涡模拟方法及参数设置的有效性验证的基础上,通过紊流边界层风场内塔楼群的非定常绕流大涡模拟,获取了建筑周围的三维非定常绕流场。然后,采用五阶龙格库塔法,求解粒状飞掷物的三维刚体运动方程,通过均匀流场下飞掷物轨迹计算方法与文献试验结果的对比,验证了本文方法的有效性。最后,对比分析了不同流场条件对颗粒的飞行轨迹及飞行速度的影响。结果表明,本文飞掷物运动轨迹计算方法结合大涡模拟获取的流场能够对飞掷物飞行轨迹进行有效预测;对同一位置释放的颗粒,与理想均匀流场相比,三维自由来流场中颗粒的飞行速度和飞行距离相对较低;三维自由来流场忽略湍流成分时,会使颗粒的飞行速度进一步降低,而飞行距离增大;对于塔楼群三维非定常绕流场,与理想均匀流和三维自由来流场的飞掷物轨迹预测的结果相差较大,且飞掷物的飞行轨迹受绕流场中不同初始位置的影响较大,并可能显著影响最终的评估结果。因此,飞掷物的飞行轨迹应充分考虑建筑群周围的三维非定常绕流场和初始破坏位置的影响。     

Large-eddy simulation and experimental study on the turbulent wake flow characteristics of a two-bladed wind turbine

Large-eddy simulation(LES) with fully resolved rotor method(FRM) is applied to explore the turbulent wake flow characteristics and vortex evolution laws of a two-bladed horizontal-axis wind turbine. Relevant wind tunnel experiments have been done based on time resolved particle image velocimetry(TRPIV) technique. The simulation results are validated by the experimental data and they are in good agreement. The axial average velocity, turbulent kinetic energy, shear Reynolds stress, and vortex structure of the wind turbine wake are analyzed based on the comparison of LES results and experimental data. It is observed that the wake diameter of wind turbine enlarges with the increase of tip speed ratio(TSR). Turbulent kinetic energy meets its minimum value when x/R=2.0. Shear Reynolds stress appears a positive peak in the near wake when x/R2.0, and the value of shear Reynolds stress decreases along the axial direction. The blade tip vortex dissipates more quickly than the central vortex in the wind turbine wake, and the gradient of the relationship curve between the blade tip vortex core position and the vortex age decreases as the TSR increases. With the increase of TSR, the thrust coefficient increases, and the power coefficient increases first and then decreases.The present work proves that LES with FRM could calculate wind turbine turbulent wake flow with a high accuracy.     

建筑物环境风场数值模拟

应用紊流大涡模拟方法对建筑物环境风场进行了数值模拟.采用尤拉观点引入大涡模拟法作为风场的紊流模式,并采用SIMPLE法求解环境风场流场.数值计算结果与实验符合较好,表明紊流大涡模拟比标准的k-ε紊流模式具有较高的可靠性.     

导流板型防风网的流场模拟与抑尘研究

针对常规型防风网庇护范围有限等缺点,采用导流、整流措施,设计了导流板型防风网。应用CFD模拟软件FLUENT 6.2提供的标准κ-ε模型,以流场数值模拟的方法对导流板型防风网结构及其网后流场进行数值模拟,研究了导流板型防风网对物料堆表面速度、压力和湍流强度变化的影响,并与常规防风网的挡风抑尘作用进行了比较。模拟结果表明:导流板具有导向作用,使渗流风以一定角度上扬,减小了渗流风对防风网后物料堆表面的直接作用,同时延缓了绕流风对料堆顶部的影响;与常规防风网后料堆表面性质相比,导流板型防风网后料堆表面速度较小,压力变化较小,顶部附近湍流强度变化较小;综合分析各因素,导流板型防风网挡风效果明显。     

建筑物风压分布随侧风面长度变化的数值研究

用计算机数值模拟风作用下高层建筑周围的紊流流场，从而得到高层建筑外表面上的风压分布沿侧风面长度方向的变化规律，并对风压及风压系数进行数学回归，拟合风压系统分布公式，为建筑结构风荷载和暖通渗风量的计算提供依据。     

建筑物周围风致静压场的风洞试验及数值模拟

在湍流中对一立方体模型周围的静压场进行风洞探测试验研究,并对该立方体进行计算流体动力学（CFD）数值模拟.与风洞试验结果的对比显示,CFD方法在静压场计算中的适用性良好.对足尺立方体结构和更多类型建筑物进行CFD计算.结果显示,各种类型建筑物的静压场分布型式较相似,可以使用相同的数学公式来描述不同类型建筑物静压场主要方向的分布规律,并推断静压场的边界.研究静压场的分布规律发现,建筑物周围近距离范围内有2条狭长地带能够用于快速测量参考静压,称为“静压走廊”,通过一定方法可以确定其位置及走向.     

Analysis of heat transfer performance for turbulent viscoelastic fluid-based nanofluid using field synergy principle

In this paper,the field synergy principle is firstly performed on the viscoelastic fluid-based nanofluid and other relevant fluid in channel at turbulent flow state to scrutinize their heat transfer performance based on our direct numerical simulation database.The cosine values of intersection angle between velocity vector and temperature gradient vector are calculated for different simulated cases with varying nanoparticle volume fraction,nanoparticle diameter,Reynolds number and Weissenberg number.It is found that the filed synergy effect is enhanced when the nanoparticle volume fraction is increased,nanoparticle diameter is decreased and Weissenberg number is decreased,i.e.the heat transfer is also enhanced.However,the filed synergy effect is weakened with the increase of Reynolds number which may be the possible reason for the power function relationship in empirical correlation of heat transfer between heat transfer performance and Reynolds number with the constant power exponent lower than 1.Finally,it is also observed that the field synergy principle can be used to analyze the heat transfer process of viscoelastic fluid-based nanofluid at the turbulent flow state even if some negative cosine values of intersection angle exist in the flow field.