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。     

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。     

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。     

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。     

下击暴流作用下坡地风场特性研究

下击暴流多发生于山地丘陵地区,而目前对于下击暴流的研究多集中在平地地形的稳态风场。为研究坡地地形对下击暴流风场特性的影响,采用冲击射流物理试验与大涡模拟(LES)方法对平地以及三个不同坡度的坡地风场进行了试验测试与数值模拟。结果表明:大涡模拟捕捉到了风场的瞬态变化特征,环涡结构在首次越过山坡时,在坡顶檐口位置产生下击暴流风场整个生命周期中的最大风速;坡地地形除檐口位置具有显著加速效应外,其他位置未发现风速增大效应;与平地风场相比,檐口位置水平风速与竖向风速都有所增大,且近地面水平风速加速因子M_t达到约1.3。近地面湍流度增大较为明显的区域为起坡位置及坡后位置,坡中及檐口位置加速效应较小,檐口位置湍流度加速因子随坡度的增大而略有增加。     

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。     

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。     

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。     

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。     

大跨越输电塔线体系随机脉动风场模拟研究

为在时域内分析大跨越输电塔-线体系风振响应,根据结构体型特征和脉动风场的功率谱特性,考虑输电塔-线分布、平均风剖面变化、功率谱能量与相干性等影响因素,提出了简化作用于输电塔线体系的多变量三维脉动风场(n-V-3D)为多变量一维脉动风场(n-V-1D)分析方法。结合输电塔线体系有限元法风振响应分析的特点,应用谐波叠加法和谱分解的适当修正,建立了脉动风速时程数值模拟方法。实例模拟表明,数据符合统计检验,模拟功率谱与目标谱吻合,从而验证了模拟方法的有效性和模拟脉动风速时程适用性。     

Two dimension-reduction probabilistic models for simulating nonstationary turbulent wind fields

The reasonable modeling of a nonstationary stochastic turbulent wind field is an important basis and premise for the analysis of the wind-induced response and reliability of engineering structures. In the present study, two dimension-reduction probabilistic models are established for simulating the multi-dimensional and multi-variable nonstationary turbulent wind fields based on the double proper orthogonal decomposition (DPOD) and the double spectral representation method (DSRM). Among them, the DPOD, originally used to simulate a stationary turbulent wind field, is extended to a nonstationary one, and the DSRM is a newly proposed method for a nonstationary turbulent wind field with a large number of simulation points. In essence, the DPOD is a discrete method with explicit physical significance and flexible spatial location of simulation points, while the DSRM is a continuous method, of which the simulation efficiency is theoretically independent of the number of simulation points. Furthermore, by introducing the dimension-reduction methods based on random function and POD-FFT (Fast Fourier transform) technique into the DPOD and the DSRM, the nonstationary stochastic turbulent wind field can be effectively described with merely three elementary random variables. Numerical examples of the nonstationary stochastic turbulent wind fields acting on a long-span bridge and a communication tower fully verify the effectiveness and superiority of the proposed methods.     

基于VOF/PLIC界面追踪方法的RTM工艺充模过程数值模拟

针对基于Darcy定律的树脂传递模塑(RTM)工艺的充模过程数值模拟的局限性,将纤维预制体内的充填流动作为两相流(树脂相和空气相)处理,在动量方程中考虑了惯性项和粘性项,采用有限体积方法(FVM)离散控制方程,并与VOF/PLIC界面追踪方法相结合,发展了求解树脂在纤维预制体内非稳态流动问题的数值模拟方法.在此基础上开发了RTM工艺的充模过程数值模拟程序,其算例的数值模拟结果与解析解或实验结果吻合良好,验证了此数值模拟方法的有效性和可靠性.     

Large eddy simulation of pollutant gas dispersion with buoyancy ejected from building into an urban street canyon

The dispersion of buoyancy driven smoke soot and carbon monoxide (CO) gas, which was ejected out from side building into an urban street canyon with aspect ratio of 1 was investigated by large eddy simulation (LES) under a perpendicular wind flow. Strong buoyancy effect, which has not been revealed before, on such pollution dispersion in the street canyon was studied. The buoyancy release rate was 5 MW. The wind speed concerned ranged from 1 to 7.5 m/s. The characteristics of flow pattern, distribution of smoke soot and temperature, CO concentration were revealed by the LES simulation. Dimensionless Froude number (Fr) was firstly introduced here to characterize the pollutant dispersion with buoyancy effect counteracting the wind. It was found that the flow pattern can be well categorized into three regimes. A regular characteristic large vortex was shown for the CO concentration contour when the wind velocity was higher than the critical re-entrainment value. A new formula was theoretically developed to show quantitatively that the critical re-entrainment wind velocities, u_c, for buoyancy source at different floors, were proportional to −1/3 power of the characteristic height. LES simulation results agreed well with theoretical analysis. The critical Froude number was found to be constant of 0.7.     

基于短期实测数据的普立大桥设计风速推算

基于普立大桥桥位处临时观测站的短期风速资料,采用了区组模型、超阈值模型、风速相关性方法和虚拟气象站法对普立大桥设计风速进行了推算。此外,结合数值模拟方法,通过模拟桥位区域的地貌特性,确定了观测站风速与桥面参考点风速之间的关系,得出了桥面各点的设计风速。结果表明:用不同方法得出的设计风速有一定差异,比较而言,对于短期数据,建议采用相对合理的超阈值模型;山区峡谷桥梁风速沿着桥轴线分布并非均匀,采用规范给出的统一地形修正参数进行设计不够准确,应该针对具体情况通过数值模拟或者风洞试验进行修正。     

单体1:1:6方形截面建筑绕流的大涡模拟

基于Fluent 6软件平台,采用大涡模拟(LES)方法对一宽高比为1:1:6的高层建筑缩尺模型表面的平均和脉动风压进行了数值模拟,并与相应风洞试验结果进行了比较和分析,然后,研究了不同来流湍流度对结构表面风压分布的影响.结果表明:(1)对于类似研究的00风向角下的方形截面建筑来说,结构迎风面风压直接受来流湍流的影响;侧面由于存在流动分离,其风压主要受分离产生的特征湍流的影响,受来流湍流度的影响较小;而背风面处于复杂的尾流区,其表面风压受到的影响因素比较复杂.(2)在风压系数的统计特性和自谱上,LES结果与风洞试验结果均能够基本保持一致,LES方法能够较准确预测结构表面的平均和脉动风压分布.