基于流体有限元法与大涡模拟技术的建筑风场与风效应分析

把流线迎风Petrov-Galerkin(SUPG)稳定化方法和三步方法与动态亚格子模型相结合,建立了一种基于任意拉格朗日-欧拉描述、可用于结构周围风场特性和风压分布分析的动态亚格子大涡模拟方法,基于该方法并运用分区交替求解算法分析流固耦合相互作用问题。对流场的空间离散,采用速度和压力的同阶插值函数;对流场的时间离散,运用具有二阶精度的三步格式稳定化有限元方法。利用Newmark逐步积分方法计算结构域,运用弹簧近似法进行网格域网格更新。对结构风效应和结构周围三维风场绕流及其特性进行了数值模拟,归纳总结了结构风效应和三维风场绕流的一些规律。结果表明:就网壳算例而言,考虑流固耦合模型效应后可以得到更高的风压系数。     

基于天气预报模式和大涡模拟的台风风场多尺度耦合数值模拟

结合2015年第1509号超强台风"灿鸿"期间在杭州九堡大桥的现场实测数据,基于WRF(weather research and forecasting)和LES(大涡模拟)的台风多尺度耦合数值模拟方法,重现了台风"灿鸿"的中小尺度发展演化过程,并对九堡大桥周边台风风场进行多尺度精细化模拟;以多项式插值的方式解决疏网格向密网格的背景风场要素降尺度耦合问题;最后通过大涡模拟获得了九堡大桥周边地区30 min瞬态台风风场数据。模拟得到的瞬态风速结果与实测数据在统计意义上较为吻合,表明WRF-LES耦合系统能实现从气象中尺度到建筑小尺度的多尺度数值模拟,有效地获取一次台风过程中目标区域的瞬态台风风场。NSRFG(narrowband synthesis random flow generator)方法生成的入口脉动风速适用于局部台风风场的LES计算,模拟所得风速功率谱与实测结果在低频段基本一致。     

基于大涡模拟的火灾数值模拟网格划分优化方法

摘 要：网格划分是火灾数值模拟的重要环节,对模拟结果的精度以及模拟时间有很大影响。针对火灾数值模拟中的网格划分问题,提出了一种基于大涡模拟的网格划分优化方法。根据大涡模拟的原理,给出了滤波尺度的计算方法,并根据滤波尺度和网格比系数对火场中不同区域的网格尺寸进行优化处理。将优化方法应用于高层建筑火灾的数值模拟,运用FDS软件分别针对优化前网格、优化后网格以及精细网格进行数值模拟,对不同网格划分下的温度、氧气和二氧化碳体积分数进行比对。结果表明：网格优化后,模拟结果与精细网格之间相关系数的均值为0.987,保证了模拟精度;同时,模拟运行时间降低为精细网格的16%,有效提升了火灾模拟的计算效率。     

大跨球面屋顶结构周围风场数值模拟研究

基于计算流体动力学(CFD)中的大涡模拟(LES)技术,应用经典的Smagorinsky亚格子模型对三维大跨球面屋顶结构在大气边界层风剖面环境内的风场进行了数值模拟。数值算例显示,三维球面屋顶结构周围的流向速度场(U)和竖向速度场(W)分布十分复杂,基于CFD数值计算的大涡模拟方法可以随时间精细、稳定和有效的刻画球面屋顶结构周围复杂的三维风场分布。     

楔形超高层建筑风效应的大涡模拟研究

风荷载往往是超高层建筑结构安全性和舒适性的控制性荷载。本文通过大涡模拟技术并结合作者建议的一种新的湍流入口生成方法(NSRFG方法),对四种不同锥度的楔形建筑模型进行了风效应的数值模拟对比研究,以比较不同锥度对结构风荷载和风振响应的影响,及检验本文数值模拟方法的适用性。数值模拟结果表明,虽然不同锥度的建筑模型平均风压和脉动风压分布规律相似,但在结构响应方面,结构横风向峰值基底弯矩响应随模型锥度增大显著减少,表明采用适当锥度的体形可以有效地减小结构横风向气动荷载。本文数值模拟结果和风洞试验结果整体规律相符,表明结合改进的入流湍流生成技术的大涡模拟具有一定的精度,可以给超高层建筑气动外形优化研究提供有价值的参考。     

错列圆柱的三维大涡模拟

文章基于计算流体力学软件FLUENT,采用大涡模拟中的WALE亚格子模型对Re=3900不同风向角下的双圆柱绕流问题进行了三维数值模拟,研究了双圆柱的涡脱形式,获得了尾流相对速度与风压系数的分布曲线,得到了三分力系数以及Strouhal数随风攻角的变化规律,通过对云图的分析,探讨了风向角为8°时出现升力峰值的原因。计算结果表明:对于中心距为3D的错列圆柱,存在一个临界风向角,以该角度为分界点,圆柱之间流体会出现两种不同的流动形态,当α8°时,柱体之间的漩涡破碎程度较高,导致升力系数与阻力系数时程曲线变化紊乱;当α8°时,两圆柱尾涡会相互融合,使得升力系数与阻力系数时程曲线变化更具规律性;当α=8°时,由于分离泡、间隙流与边界层分离的共同作用,导致下游圆柱的升力系数出现最大值。     

大跨度桥梁风场模拟方法比较

介绍了大跨度桥梁风场模拟方法.之后进一步对两类随机风场模拟方法进行了论述,并对这些方法的优缺点进行了归纳和总结,为大跨度桥梁的风场模拟提供了理论依据.     

大涡模拟方法下的四圆柱绕流数值模拟

采用了Fluent软件和大涡模拟LES方法进行了在雷诺数下Re=15000的四圆柱绕流数值模拟。计算分析显示本文的计算结果与他人的实验结果吻合良好,可为类似圆柱结构的流体绕流问题设计提供参考。     

风工程数值模拟中流域分区构造和网格划分新方法的研究与应用

基于边界层模拟基础研究成果和工程实践经验,建议了风工程数值模拟中一种新的内、外域计算域分区构造和网格划分方法,用来实现多风向角计算工况的模型共享,以减少数值建模中繁杂的重复性工作,提高数值模拟计算的效率.通过数值检验,验证了采用这种新方法模拟平衡大气边界层不会引起额外的数值误差.并将这种新的建模办法应用在上程实践中,验证其适用性.该方法对实现风工程数值建模的完全流程化和自动化具有实用价值.     

大跨度复杂屋盖结构风荷载的大涡模拟

应用一种新的湍流脉动流场产生方法DSRFG(Discretizing and Synthesizing Random Flow Generation)[1]模拟风场实际的湍流边界条件,采用一种新的大涡模拟(Large Eddy Simulation,LES)的亚格子模型[2],基于Linux系统下软件平台Fluent6.3的并行计算技术,对深圳新火车站进行了数值风洞模拟。并将屋盖的平均风压、脉动风压计算结果与风洞试验数据进行了比较,表明数值模拟很好地反映了大跨度屋盖表面风压的分布情况,由其得到的风压系数与风洞试验数据有较好的吻合。表明本文的DSRFG方法以及新的大涡模拟亚格子模型的数值模拟技术是一种很好的预测大型、复杂结构表面风荷载的有效方法。并为进一步发展在复杂湍流环境下大跨度屋盖结构的风荷载数值风洞技术提供参考。     

深圳平安国际金融大厦风致响应大涡模拟分析

运用一种新的湍流脉动流场产生方法模拟了三种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,基于Linux系统下软件平台Fluent 6.3的并行计算技术,对深圳平安国际金融大厦进行了全尺寸、高雷诺数（高达10×10⁸量级）的数值风洞模拟。计算了三种风场下建筑表面平均、脉动风压及风荷载时程数据。利用惯性风荷载（IWL）法得到三种风场下深圳平安金融大厦的基底等效静风荷载以及结构顶部峰值加速度响应。分析了不同的湍流来流对结构风压系数、风荷载及加速度响应的影响。分析结果表明：三种来流风场条件下,深圳平安金融大厦周围风场相差较大,来流的湍流强度越高,建筑物前方的脉动风速越高;顺风向等效风荷载主要受平均风速控制,横风向等效风荷载主要受脉动风控制;湍流强度越大,横风向等效风荷载越大;中国规范建议的湍流流场下,深圳平安金融大厦10年重现期顺风向、横风向峰值加速度响应满足居住者舒适度要求。     

矢流洁净室二维流场的大涡模拟

采用大涡模拟技术对矢流洁净室二维流场进行了数值模拟，分析了模拟结果，确定了空态洁净室的送风口半径、回风口高度、送风速度等参数，指出湍流大涡模拟能准确得到洁净室流场中旋涡的位置和尺度，适用于对洁净空调多种工作环境的数值模拟。     

大涡模拟及其在室内空气流动换热中的应用

介绍了国内外大涡模拟的亚格子湍流模式和在室内空气流动换热中的研究现状给出了大涡模拟室内空气流动的应用实例。认为大涡模拟有广阔的发展前景。     

湍流反应流研究中的大涡模拟

针对湍流反应流分析高质量数值解所应具有的特征和准则，对比大涡模拟与N-S方程雷诺平均的能谱空间分解图，说明了大涡模拟的特点。使用FDS2程序对油池火进行模拟，以展示湍流反应流研究中的大涡模拟技术。     

基于流体力学理论的风场数值模拟

利用流体力学理论对自然风进行描述,对风场进行数值模拟.运用基于特征线理论的分离变量算法(Char-acteristic-Based Split,CBS)求解流体域,推导了CBS算法的有限元方程.并利用自主开发的AADS中的流体计算模块对稳态风场进行数值模拟,给出了建筑物表面的风压分布规律,为进一步研究提供基础.     

风暴移动对下击暴流风场特性的影响研究

气象观测表明,下击暴流的风暴中心是移动的,风暴的移动会对风场特征产生重要影响。为研究风暴移动对下击暴流风场特性的影响,基于计算流体动力学方法建立考虑移动效应的下击暴流数值模型,并通过可移动喷口的冲击射流试验对数值模拟结果进行了验证。结果表明:移动下击暴流风场在风暴中心前缘存在较大环涡,形成弓形分布的极值风速区域,最大水平风速出现在距离风暴中心r=1. 0Djet(Djet为喷口直径)左右,极值风速可达1. 5Vjet(Vjet为射流速度);风暴后方水平风速被减弱,最大风速出现在r=1. 5Djet附近,极值风速约为0. 8Vjet。近地面竖向风速随高度的增大而增大,受风暴移动的影响,在风暴中心区域,竖向风速向风暴移动方向一侧倾斜;在风暴中心区域以外,竖向风速主要由环涡引起,较大竖向风速主要分布于风暴中心后方以及风暴中心前方1. 0Djet^2. 0Djet的区域。风暴的移动导致风场中测点风速和风向随时间变化显著。     

湍流边界层中低矮建筑绕流大涡模拟

通过对平板湍流边界层进行大涡模拟,采用拟周期边界条件维持湍流边界层厚度稳定,提取速度和压力时程作为低矮建筑绕流模拟之脉动入流边界条件,研究脉动入流下的低矮建筑绕流特性。研究结果表明：入流边界特性对网格变化适应性良好,其平均速度剖面、湍流强度、流速频谱特性基本符合空旷地貌风场特性;脉动入流下,建筑表面的平均风压系数、脉动风压系数的计算结果与风洞试验结果基本吻合。受雷诺数及湍流强度的影响,流动分离区负压与试验值存在一定差别;屋盖上分离区风压时程具有非高斯概率特性,尤以气流分离较剧烈的屋盖迎风边缘及屋盖两侧风压的非高斯特性明显,该特征与风洞试验基本一致;受非高斯特性的影响,建议峰值因子g取4.5~5.5。     

密闭腔室火灾温度的大涡模拟

应用大涡模拟方法模拟全尺寸的密闭腔室火灾场景。提出应用平均燃烧效率的概念模拟密闭腔室火灾的方法,选取平均燃烧效率为0.75进行大涡模拟,得到密闭腔室室内温度场以及烟气运动的模拟数据。通过分析密闭腔室内竖直方向上的温度分布,发现在竖直方向上存在温度分层现象。将模拟结果与实验数据进行对比可以看出,大涡模拟可以较好地模拟密闭腔室内火灾的发生发展情况。