采用修正來(lái)流條件和粗糙壁面處理方法的繞流問(wèn)題研究.pdf

1、采用計(jì)算流體力學(xué)技術(shù)(Computational Fluid Dynamics，CFD)模擬土木工程建構(gòu)筑物的風(fēng)荷載分布就是求解復(fù)雜邊界條件下Navier-Stokes(N-S)方程的特征解。高雷諾流動(dòng)是實(shí)際工程的最重要的風(fēng)場(chǎng)特性，包括大渦模擬(Large EddySimulation，LES)和直接模擬(Direct Numerical Simulation，DNS)方法均無(wú)法很好的解決這個(gè)問(wèn)題。雷諾時(shí)均方法(Reynolds Ave

2、raged Navier-Stokes，RANS)是基于時(shí)均化理論將非穩(wěn)態(tài)的湍流運(yùn)動(dòng)處理為平均流場(chǎng)和雷諾應(yīng)力場(chǎng)，這種方法的最大優(yōu)點(diǎn)在于在保證流場(chǎng)大尺度流動(dòng)特性的基礎(chǔ)上，采用模型化方法計(jì)算雷諾應(yīng)力場(chǎng)從而極大地節(jié)約計(jì)算資源。RANS方法中，包括大氣邊界層模型化、粗糙壁面處理方法以及渦粘模型(eddy-viscosity modelling)等仍存在一些問(wèn)題亟待解決。若無(wú)法合理解決上述問(wèn)題，會(huì)造成建構(gòu)筑物風(fēng)荷載計(jì)算的誤差，以致在某些風(fēng)敏感結(jié)構(gòu)

3、的設(shè)計(jì)與使用中產(chǎn)生隱患和危害。
　　CFD技術(shù)在土木工程中應(yīng)用首要解決的問(wèn)題是準(zhǔn)確模擬大氣邊界層的湍流流動(dòng)。基于RANS理論求解湍流問(wèn)題，是對(duì)模型化雷諾應(yīng)力輸運(yùn)方程的求解。渦粘模型(eddy viscosity models)將雷諾應(yīng)力表示為湍流特征尺度和平均風(fēng)特征尺度的函數(shù)，是現(xiàn)階段應(yīng)用最廣泛的雷諾應(yīng)力模型化方法。隨著計(jì)算精度要求的逐漸提高，非線性渦粘(nonlinear eddy viscosity models)逐步取代線性

4、渦粘模型成為風(fēng)工程研究中主要渦粘描述方法。同時(shí)，基于模型化大氣邊界層提取的來(lái)流條件和粗糙壁面處理方法也對(duì)湍流模擬產(chǎn)生重要影響。對(duì)于平均風(fēng)和湍流特征量來(lái)流需滿足平衡邊界層假定和邊界層內(nèi)應(yīng)力分布假定，由此得到的剖面形式才能更好的描述邊界層上游流的特點(diǎn)。盡管對(duì)近壁流動(dòng)處理的方法較多，但是模擬粗糙壁面流動(dòng)的方法還不夠成熟，其主要原因在于由地表粗糙產(chǎn)生小特征尺度無(wú)法用已有特征尺度表示，所以推導(dǎo)適用于不同湍流的粗糙壁面流動(dòng)處理方法是亟待解決的重要問(wèn)

5、題之一。
　　針對(duì)上述問(wèn)題，本文圍繞非線性渦粘模型、來(lái)流條件以及粗糙壁面處理方法，開展了理論和數(shù)值研究，主要工作和取得的成果如下：
　　1.引入非線性渦粘模型。非線性渦粘模型能夠考慮雷諾應(yīng)力的各向異性特性，且需確保湍流模型的計(jì)算穩(wěn)定性和準(zhǔn)確性。由此，本文基于二次Boussinesq假定并將這類渦粘假定擴(kuò)展到三維流動(dòng)中，用于6m立方體繞流分析來(lái)模擬流場(chǎng)的脈動(dòng)特性和變化。
　　2.新型平均風(fēng)和湍流特征量來(lái)流條件。引入經(jīng)典氣

6、動(dòng)粗糙高度y0來(lái)描述地表粗糙特性和湍流特征量的交換與輸運(yùn)，并將該模型與相關(guān)實(shí)測(cè)結(jié)果進(jìn)行對(duì)比，證明本文選取模型的可行性與正確性。再將y0入到平均風(fēng)和湍流特征量剖面表達(dá)式中來(lái)描述上游粗糙效應(yīng)的影響。
　　3.近壁粗糙流處理。常用的壁面條件無(wú)法描述地表粗糙對(duì)流動(dòng)的影響，由此本文基于平衡邊界層假定，針對(duì)不同湍流模型推導(dǎo)適合近壁流動(dòng)處理表達(dá)式；這些表達(dá)式與對(duì)應(yīng)湍流模型結(jié)合來(lái)模擬平衡邊界層流動(dòng)，并與相關(guān)理論解對(duì)比，證明粗糙近壁流動(dòng)模型的正確性

7、。
　　4.來(lái)流條件與近壁流動(dòng)模型的漸進(jìn)分析。本文采用漸進(jìn)分析方法來(lái)驗(yàn)證來(lái)流條件與近壁流動(dòng)模型的正確性和適用性，該方法采用兩種特征尺度，對(duì)N-S方程進(jìn)行處理，得到粘性子層和完全湍流區(qū)的雷諾應(yīng)力表達(dá)式；將二者在緩沖層匹配后得到整個(gè)邊界層內(nèi)雷諾應(yīng)力分布的漸進(jìn)解。將來(lái)流條件和近壁流動(dòng)模型與漸進(jìn)解進(jìn)行對(duì)比，證明來(lái)流條件和近壁流動(dòng)模型的正確性。
　　5.6m立方體繞流分析?；贔luent平臺(tái)，將上述非線性渦粘假定、來(lái)流條件與近壁流動(dòng)