基于大渦模擬的CFD入口條件及脈動風壓模擬研究.pdf

1、土木工程結構一般處于大氣邊界層甚至城市下墊層內(nèi),近地風場及結構周圍流場都可視為不可壓縮流體的湍流運動,結構所受風場的來流和結構表面風壓具有時變特性。當考慮這些時變特性并研究其影響時,大渦模擬成為數(shù)值抗風研究中兼顧精度與計算效率的主要選擇。
　　 采用大渦模擬進行工程結構風壓預測的前提之一是開發(fā)具有近地脈動風特性的脈動入口條件。與其他領域相比,土木工程領域大渦模擬脈動入口條件的特殊性主要體現(xiàn)在:高雷諾數(shù)、高湍流度、流動特征受地表形

2、態(tài)影響顯著等方面。目前,基于大渦模擬的風工程研究多采用均勻流入口,或采用的脈動入口與近地風流動特征差異較大,難于同時滿足上述土木工程入口條件的特點。因此,為使其具有近地脈動風的統(tǒng)計特性,本文首先對大氣湍流邊界層進行模擬,從中提取流動時程作為脈動風壓模擬的入口條件,即建立“模擬-提取-應用”的解決模式。這一過程的難點主要在于:
　　 1、近地風流動雷諾數(shù)較大,開發(fā)穩(wěn)定高效的模擬程序是實現(xiàn)“模擬-提取-應用”這一過程的首要前提；

3、r>　　 2、模擬充分發(fā)展的大氣湍流邊界層需要長距離的幾何空間,計算耗時大,提出高效的模擬方法是工程研究關心的問題之一；
　　 3、不同地貌下近地風的流動特征差異較大,建立不同簡化模型,使其可反映復雜地表對近地風場的影響,準確模擬出不同地貌下的風場特性。
　　 4、“模擬”環(huán)節(jié)和“應用”環(huán)節(jié)的網(wǎng)格和雷諾數(shù)一般不匹配,有效保持脈動入口的各項特性,是入口條件應用的關鍵因素之一。
　　 針對以上難點,本文提出相應的解

4、決方法和開展的研究工作包括:
　　 第二章闡述大渦模擬控制方程并將其無量綱化后,以差分離散為基礎,編制了笛卡爾坐標系下的大渦模擬求解程序。期間,針對于流動的高雷諾數(shù)特性,提出了一種基于流動狀態(tài)調(diào)整數(shù)值粘性的對流項三階迎風格式,并在第三章中以一維對流擴散方程為驗證模型,證明了該格式在高對流擴散過程中可有效抑制中心差分引起的非物理震蕩。作為程序的驗證性分析,第三章中,對二維方腔驅(qū)動流和三維方柱繞流兩個經(jīng)典算例進行模擬,驗證了大渦模擬

5、求解程序?qū)Ω呃字Z數(shù)流動求解的穩(wěn)定性與正確性。
　　 第四章中,為提高邊界層模擬的計算效率,采用順流向周期邊界條件縮減了計算域和計算時間。該周期條件引起的不利效應是,隨計算時長增加,壁面摩擦阻力使流向速度不斷減小。對此,本文提出指數(shù)型順流向恒壓力梯度并將其引入流體控制方程,有效控制了流向速度的穩(wěn)定性。利用普通附面邊界層與大氣邊界層在分層結構上的類似性,將附面邊界層內(nèi)流動作為近地風場的近似,采用順流向周期邊界條件對平板附面湍流邊界層

6、進行了模擬。邊界層的平均速度及湍流強度剖面基本符合我國A類地貌下的風場特性,速度時程的頻譜特性與Karman譜在低頻段基本吻合,高頻段會存在一些差距,但可通過細化網(wǎng)格提高高頻段的模擬效果。提取平板湍流邊界層的速度壓力時程作為脈動入口,并將其引入一網(wǎng)格變異的驗證單元,結果表明該脈動入口的流動特征和統(tǒng)計特性在驗證單元內(nèi)保持較好,對網(wǎng)格變異及雷諾數(shù)變異均具有較好的適應性,可為計算風工程所接受。
　　 本文在第五章中建立了簡化的粗面邊界

7、層模型,以模擬其他地貌下大氣邊界層。為增大邊界層內(nèi)湍流強度,在平板模型底面布置粗糙元以增大近地湍流度,布置擾流桿增大邊界層高處的湍流度。將擬周期邊界條件發(fā)展到粗面邊界層,提高邊界層模擬效率的同時保持了順流向平均速度的穩(wěn)定。采用粗面邊界層模型并結合擬周期條件,分別模擬了我國B、C、D三類地貌下的脈動風場,并將結果與中美澳風荷載規(guī)范進行了比較。結果表明,平均速度剖面與規(guī)范規(guī)定的目標剖面吻合良好,湍流度與規(guī)范相比,介于中國與澳大利亞規(guī)范的規(guī)定

8、值之間。速度頻譜與Karman譜在低頻段基本吻合,高頻段依然存在一定差距。將粗面邊界層內(nèi)的脈動流場作為入口條件引入網(wǎng)格變異的驗證單元,分別驗證了脈動入口對網(wǎng)格變異性及雷諾數(shù)變異性的適應性。結果表明,平均速度剖面在驗證單元中基本得到保持；由于粗糙度降低,脈動入口的湍流度在驗證單元中有一定衰減,以邊界層高處更為突出,雷諾數(shù)變異對湍流度影響較??；速度時程的功率譜特性保持較好,且受雷諾數(shù)變異性的影響較??；受網(wǎng)格變異的影響,脈動來流進入驗證單元后

9、積分尺度有一定改變。
　　 最后,本文在第六章對開發(fā)的脈動入口進行了應用研究。將平板和粗面邊界層內(nèi)生成的三類不同湍流強度的脈動入口,引入平屋蓋結構的脈動風壓模擬中,對其進行零度攻角的繞流模擬,研究了模型表面平均、脈動風壓系數(shù),著重比較研究了雷諾數(shù)及湍流強度兩參數(shù)對風壓系數(shù)的影響；此外,對鈍體結構上風壓的概率特性及陣風風壓的預測也進行了探討。結果表明,脈動入流下,建筑表面的平均、脈動風壓系數(shù)與風洞試驗基本吻合。雷諾數(shù)和湍流強度是影

10、響鈍體結構表面平均、脈動風壓系數(shù)的兩個重要因素。當繞流雷諾數(shù)增大時,分離區(qū)的平均負壓以及風壓均方根均有所增大。隨著來流湍流強度的增大,模型屋蓋、側(cè)壁上的最大負壓區(qū)向迎風邊緣及迎風邊緣角部移動,且最大負壓值也顯著增大；迎風面、屋蓋和側(cè)壁上風壓均方根隨湍流強度增大而顯著增大。受鈍體特征湍流影響,屋蓋上分離區(qū)風壓時程具有非高斯概率特性,尤以氣流分離較劇烈的屋蓋迎風邊緣及屋蓋兩側(cè)風壓的非高斯特性明顯,該特征與風洞試驗基本一致。受非高斯特性的影響