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。     

大跨桥梁非平稳台风风场数值模拟与验证

为实现大跨桥梁非平稳台风风场模拟,系统提出大跨桥梁台风风场模拟验证方法,并基于实测台风数据对进化谱作为风场验证风谱的适用性进行检验。首先提出台风风场模拟方法,基于进化谱理念,获取时变功率谱,采用谐波合成法,对非平稳台风风场进行模拟;其次基于Kaimal风谱和进化谱理论,推导非均匀调制函数,获取非均匀调制进化谱,验证模拟台风风场的合理性;再次基于实测脉动风场特性理论和经验模态分解(EMD)方法,构建非平稳风速模型,获取实测功率谱,对进化谱作为风场验证风谱的适用性进行检验;最后应用提出的台风风场模拟和验证系统方法对某沿海斜拉桥台风风场进行模拟和验证。研究结果表明:实测功率谱与进化谱吻合较好,进化谱适用于台风模拟风场的验证;应用提出的台风风场模拟方法对台风风场进行模拟,模拟风场的功率谱与进化谱吻合非常好,模拟方法合理有效。     

TTU标准模型表面风压大涡模拟及风洞试验的对比研究

以低矮建筑标准模型TTU(德州理工大学)模型为考察对象,基于专业计算流体动力学软件FLUENT,对1:50缩尺模型进行了大涡模拟研究,并在边界层风洞中对该比例模型进行了风洞试验研究,将大涡模拟结果与风洞试验、场地实测数据进行了比较。结果表明,大涡模拟得到的建筑模型表面平均及脉动风压与风洞试验、现场实测结果吻合较好,没有雷诺数效应的足尺低矮建筑表面的动态风压可通过缩尺模型的大涡模拟进行预测。     

标准低矮建筑TTU三维定常风场数值模拟研究

基于专业计算流体动力学软件平台FLUENT6提供的标准k?ε等多种湍流模型对大气边界层中的TTU(Texas Tech University Building Model)标准低矮建筑的定常风场进行了数值模拟,并将计算结果与场地实测数据及同济大学TJ-2风洞试验结果进行了比较。结果表明,多种湍流模型均能为工程应用提供有效参考,且对于此种体形简单的建筑复杂的雷诺应力模型的预测结果并不优于简单的涡粘模型,这为钝体绕流现象的数值模拟研究提供了有利依据。     

复杂地形场地上多维多点地震动模拟研究

研究了复杂地形场地上多维多点地震动的模拟。将基岩加速度反应谱转换成相应的功率谱,介绍了多土层多维地震波的传播理论和基岩相干函数的选取。利用基岩功率谱与相干函数,给出了复杂地形场地上多维多点地震动的模拟方法。针对一算例进行分析,得到了非同类多土层复杂地形场地上的三个点地震动加速度时程曲线、功率谱以及不同分量的放大函数,通过比较功率谱和相干函数的吻合程度,验证了研究成果的准确性。该研究成果可应用于复杂地形场地上大跨度结构的多维多点地震动的分析。     

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。     

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。     

稳态雷暴冲击风风速剖面模型研究

雷暴冲击风是非台风地区形成极值风荷载的主要原因。采用静止型冲击射流装置和大涡模拟分别对雷暴冲击风风场进行了物理试验和数值模拟,考察了径向风速和竖向风速的分布特征。将大涡模拟结果和试验结果与现有实测数据和理论模型进行了对比,验证了试验和数值模拟结果的可靠性。针对现有的径向风速模型并不适用于所有径向位置处径向风速的问题,结合物理实验和大涡模拟的结果,提出了沿径向变化的径向风速剖面模型。同时,根据风场竖向风速的特点将其沿径向位置分为三个区域,给出了三个区域竖向风速剖面模型。     

强风作用下超高层建筑风场特性的实测研究

为了获取在强风作用下超高层建筑的风场特性,基于风压测试基本原理,本文设计出了新型风压传感器。针对一超高层建筑设计了风场实测的实施方案,获得了超高层建筑顶部的风速风向纪录,记录了墙面六个测点的风压时程。基于高空风速风压同步实测结果,分别对实测场地的风速风向特征及墙面风压特征进行了分析。结果表明,特殊地形条件下的风速脉动不完全符合典型的风速谱,而且其概率密度函数有可能不符合高斯分布;在这种情况下的墙面风压也呈现出不同程度的非高斯特征,尤其是在分离流区域;脉动风压的空间相关性与风洞试验研究的结果具有相同的规律。     

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。     

鞍形屋盖平均风压分布特性的数值模拟研究

基于Reynolds时均N?S方程和RSM模型对鞍形屋盖的平均风压分布进行了数值模拟,采用有限体积法对控制微分方程进行离散,并采用SIMPLE压力校正算法来实现非线性方程的迭代求解。数值模拟结果与风洞试验结果进行了对比分析,两者吻合较好,在此基础上系统研究了风向角、跨高比、矢跨比、地面粗糙度、风速等因素对屋面风压分布的影响,探讨了结构周围流场的绕流特性。最后根据屋面的结构形式及风压分布特点将鞍形屋面分成12个区,给出了不同风向角下的分区风载体型系数以供工程设计的参考。     

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。     

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。     

地表粗糙度对山区峡谷地形桥址区风场影响研究

为研究地表粗糙度对山区峡谷地形桥址区风环境的影响,通过计算流体力学数值模拟的方法,对不同粗糙度下理想峡谷与真实峡谷模型中主梁跨中位置的风剖面进行了研究。通过理想模型的计算分析,确定了不同风向角下主梁跨中风剖面随粗糙度变化的一般规律,结合对峡谷内流场特点的分析,揭示了粗糙度对峡谷内风速造成影响的原因,并在真实地形模型中进行了验证,根据地表种类细化了粗糙度设置方案。研究表明,在峡谷地形条件下,粗糙度对风速的影响与常规地形有明显差异,在主梁高度处,随着粗糙度的增加,主梁跨中风速可能会有不同程度的增加。研究结论为山区峡谷地形处桥梁设计风速确定提供了依据。     

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。     

移动型下击暴流及其作用下高层建筑风荷载的数值模拟

下击暴流造成了大量的输电线塔、风机等结构的破坏,对其风场及其引起的结构风荷载研究非常迫切。该文基于RANS,利用SST k-ω湍流模型模拟了下击暴流风速特性及其作用下高层建筑的风荷载。对静止型下击暴流及其作用下高层建筑的风荷载进行了三维定常数值模拟,并将模拟结果与风洞试验结果相对比,结果表明:所建立的CFD计算模型能较好地模拟下击暴流及其作用下高层建筑的风荷载。借助于滑移网格技术对移动型下击暴流进行数值模拟,探究了相应的下击暴流风场及其对位于射流口中心移动路径上的高层建筑的风荷载。将该文模拟得到的移动型下击暴流径向风剖面与实测结果以及其他学者模拟结果相比较,吻合度较高,验证了凭借滑移网格技术能逼真地模拟出下击暴流的风场特性及其作用下高层建筑的风荷载。将静止型和移动型下击暴流的风场特性及其对建筑物的风压作用进行详细对比,研究结果表明:射流口的移动增强了运动方向的径向风速,减小了负方向的风速,并增大了建筑物表面的风压系数,这在结构设计中应予以考虑。     

B类风场与台风风场下输电塔的风振响应和风振系数

为研究常规B类风场与台风风场下输电塔的风振响应差异,以沿海地区某四回路角钢输电塔为原型建立了有限元模型,采用谐波叠加法生成两类风场下的风速时程,并在时域内进行了输电塔风振响应和风振系数的数值分析。结果表明：台风风场的高湍流特性导致其作用时各测点的顺风向风振响应均大于B类风场下的对应值。两类风场下,输电塔的风振系数比值约为1.25。因此,台风多发地区的输电塔设计必须考虑台风高湍流引起的动力风荷载增大效应。此外还进行了气弹模型风洞试验,以研究不同风速下的气动响应和风振系数,并将试验结果与理论计算进行了分析比较,验证了数值分析的适用性。