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。     

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。     

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。     

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。     

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。     

强台风下带挑檐双坡低矮房屋风荷载特性大涡模拟方法适用性研究

该文基于相关现场实测和风洞试验结果,对强台风下带挑檐低矮双坡房屋气动荷载特性进行了大涡模拟(Large-eddy simulation, LES)研究。研究了台风脉动风场人工合成方法、近壁区网格划分策略及壁面边界条件等模拟参数对带挑檐双坡低矮房屋风荷载特性影响,定量分析利用大涡模拟预测强台风下低矮房屋屋面风压特性的可靠性,并基于大涡模拟全流场信息分析了低矮房屋周边钝体绕流瞬态特征。研究结果表明:基于CDRFG(Consistent discretizing random flow generation) 人工合成湍流方法可以准确模拟具有高湍流度特性的台风风场,并通过先验的网格划分策略可以实现来流湍流自保持性。大涡模拟能够得到与现场实测及风洞试验较一致的平均和脉动风压系数,且极值风压系数在30%误差范围的可靠度达85%以上。迎风挑檐会导致屋面前缘流动分离提前发生,但对迎风前缘屋面风压分布规律影响较小。挑檐下缘形成的分离泡产生较大脉动吸力,挑檐局部净风压系数未显著增大。该文有助于进一步提升强台风下低矮房屋风荷载模拟的有效性,更加深入的掌握低矮房屋的风致破坏机理,为低矮房屋的抗风设计及抗风性能优化提供重要参考。     

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。     

CFD在风荷载计算中的应用

风荷载是结构抗风设计中的主要荷载,而现场实测、风洞试验、数值模拟是获取风荷载数据的主要方法。文章介绍了作用于结构上的大气边界层内风的特性、风荷载的特点以及风荷载的研究方法,讨论了在数值模拟中引入湍流模型的必要性,指出了目前计算流体动力学在结构风荷载计算中的进展并对今后的研究方向进行了展望。     

基于大涡模拟的台北101大楼风致响应分析

应用一种新的湍流脉动流场产生方法(Discretizing and Synthesizing Random Flow Generation, DSRFG)模拟了台北101大楼周围风场的湍流边界条件,采用一种新的大涡模拟的亚格子模型,对台北101大楼进行了全尺寸的数值风洞模拟。得到了台北101大楼周围的风流场及作用于其上的风荷载时程数据。建立了大楼的3维有限元模型,对其进行了摸态分析和基于大涡模拟风荷载时程作用下的瞬态动力分析。计算了风荷载作用下大楼的风致响应。并将计算结果与现场实测以及风洞试验的相应数据进行了对比,结果表明:计算得到的风致响应结果与现场实测以及风洞试验结果吻合较好。该数值模拟方法可为高层建筑结构抗风设计提供有效参考。     

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。     

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。     

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。     

风敏感空间结构风致耦合研究与分析述评

风敏感空间结构轻质、高柔、低阻尼,其风致耦合问题突出。对近年来该类结构的风致耦合作用研究进行分析与评述。简要阐明了流固耦合研究方法,这是风致耦合作用分析的基础。阐述了风敏感空间结构风致耦合的研究现状、有关分析方法及各自特点,主要包括风致耦合作用的简化模型方法及其附加质量和气动阻尼的获取,风洞试验与现场实测方法等,基于CFD技术的风致耦合数值模拟方法及其结构域、流体域和网格域的力学建模、数值离散方法和数值求解策略,湍流模型及特点,网格生成与网格更新、耦合界面信息传递与交换等。     

High-performance computing in computational fluid dynamics: progress and challenges

Computational fluid dynamics (CFD) is by far the largest user of high-performance computing (HPC) in engineering. The main scientific challenge is the need to gain a greater understanding of turbulence and its consequences for the transfer of momentum, heat and mass in engineering applications, including aerodynamics, industrial flows and combustion systems. Availability of HPC has led to significant advances in direct numerical simulation (DNS) of turbulence and turbulent combustion, and has encouraged the development of large-eddy simulation (LES) for engineering flows. The statistical data generated by DNS have provided valuable insight into the physics of many turbulent flows and have led to rapid improvements in turbulence and combustion modelling for industry. Nevertheless, major challenges remain and the computational requirements for turbulence research, driven by well-established physical scaling laws, are likely to remain at the limit of the available HPC provision for some time to come.     

基于谱元法的复杂地形风场大涡模拟

以Askervein山为研究对象,基于开源平台Nek5000,自编程序完成复杂地形下谱元法的网格建模,添加计算湍流粘性项子程序,对复杂地形风场进行大涡模拟,并与场地实测数据及其它数值结果进行对比。结果表明,谱元法的大涡模拟结果与Askervein山的场地实测结果符合较好,表明该方法在复杂地形风场的预测上有较高的精度,可用于复杂地形的风能资源评估。