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.     

紊流边界层风场半圆屋盖非定常绕流大涡模拟

文中采用基于空间平均的大涡模拟方法,进行紊流边界层风场内半圆球形屋盖结构的非定常绕流大涡模拟研究。结果表明通过增加雷诺应力分量输入,能在一定程度上改善大涡模拟风场及风荷载预测精度。与平滑流场相比,紊流边界层风场平均风压在迎风面分离区和屋盖顶部附近负压绝对值较小,脉动风压整体较大,其主要原因是来流紊流改变了屋盖表面的流动分离点位置,影响屋盖表面附着涡的能量、尺度以及背风面处的漩涡脱落频率和涡脱范围。研究可为类似结构工程抗风设计提供参考。     

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。     

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.     

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。     

中庭火灾烟气流动的大涡模拟

采用大涡模拟的方法,对中庭火灾烟气的流动过程进行了模拟,了解了中庭烟气的蔓延过程,得到了烟气的速度场和温度场、顶棚射流的速度和温度的详细结果。模拟结果表明,大涡模拟能比较准确地预测中庭内烟气的流动状态,可用于指导中庭建筑的防火设计。     

浅谈大空间火灾烟气运动规律的计算机模拟

分析并讨论了当前大尺度空间火灾烟气运动规律的计算机模拟研究现状。结果表明,采用大涡模拟方法结合多单元区域模拟是研究火灾烟气运动规律的发展趋势。     

Using large eddy simulation to study particle motions in a room

As people spend most of their time in an indoor environment, it is important to predict indoor pollutant level in order to assess health risks. As particles are an important pollutant indoors, it is of great interest to study the airflow pattern and particle dispersion in buildings. This study uses large eddy simulation (LES) to predict three-dimensional and transient turbulent flows and a Lagrangian model to compute particle trajectories in a room. The motion of three different types of solid particles in a decaying homogeneous isotropic turbulent airflow is calculated. By comparing the computed results with the experimental data from the literature, the computational method used in this investigation is found to be successful in predicting the airflow and particle trajectories in terms of the second-order statistics, such as the mean-square displacement and turbulent intensity. This Lagrangian model is then applied to the study of particles' dispersion in a ventilated cavity with a simplified geometry for two ventilation scenarios. It is shown that light particles follow the airflow in the room and many particles are exhausted, while heavier particles deposit to the floor or/and are exhausted. PRACTICAL IMPLICATIONS: The results of this paper can be used to study dispersion of infectious diseases in enclosed spaces in which virus or bacteria are often attached to particles and transported to different rooms in a building through ventilation systems. In most of studies, the virus or bacteria have been considered to be gaseous phase so there is no slip between virus/bacteria and air. The results in this paper show that heavier particles are submitted to gravity and are sensitive to the ventilation strategy.