有限深两层流体内孤立波非线性数值模拟入口边界条件研究

基于有限深两层流体KdV(Korteweg-de Vries)、eKdV(extended KdV)和MCC(Miyata-Choi-Camassa)理论,以内孤立波诱导上下层深度平均水平速度为入口边界条件,采用理想流体完全非线性欧拉方程,建立了两层流体中内孤立波生成的CFD(Computational Fluid Dynamics)数值模拟方法。以系列数值模拟结果为依据,结合内孤立波非线性和色散参数的组合条件,给出了选择合适内孤立波理论解作为CFD数值模拟入口边界条件的方法,从而实现了振幅与波形可控的内孤立波完全非线性数值模拟。

不同入口边界条件对建筑群污染物扩散影响的数值研究

合理的入口边界条件是建筑群污染物浓度正确数值模拟的前提,为分析入口边界对污染物浓度扩散的影响,以谐波合成法理论为基础,通过编制程序实现对商业软件Fluent的二次开发,生成满足目标风场流动特性的脉动入口边界,并用风洞试验数据验证所提方法的正确性,然后将生成的脉动风速和常规的平均风速分别作为大涡模拟的入口边界条件,考虑不同风速大小和风剖面形式的影响后,利用组分输运模型,对建筑群内污染物浓度进行分析,得到不同入口边界条件作用下建筑群污染物浓度的分布规律。

可压缩边界层的入口合成湍流生成方法

在壁湍流中开展RANS-LES方法混合模拟时,入口处添加合理的湍流脉动能够缩短流场向完全湍流的发展距离,提高数值模拟精度以及节省计算资源.采用SA-IDDES方法对槽道湍流和可压缩湍流边界层开展了数值模拟研究,对比了3种较为常用的合成湍流方法对流场发展的影响,包括合成湍流生成器(STG)、数字滤波法(DFM)和合成涡方法(SEM);研究了不同合成湍流入口条件下流场壁面摩阻、流场结构、雷诺应力的发展过程,评估了各方法在壁湍流中的表现.其中在不可压槽道湍流和可压缩湍流边界层的模拟中,STG方法展现了较短的摩阻恢复距离,流场结构与雷诺应力发展相比DFM也有一定的优势.在高马赫数湍流边界层的数值模拟中,忽略热力学量脉动可能会降低合成边界层脉动恢复到物理真实脉动的速度.因此,文章进一步基于STG给出的速度脉动,在入口处通过若干强雷诺比拟方法(SRA,GSRA和HSRA)添加热力学脉动量,对比研究了对可压缩湍流边界层流场发展的影响,结果显示是否添加热力学脉动对于流场摩阻和雷诺应力发展影响较小,但对流场中的热力学量影响显著,其中GSRA下流场热力学量恢复得最快.

高精度入口边界的峡谷桥址风场数值模拟

山区峡谷地区由于受特殊地形地貌条件影响使得其风场十分复杂,这些地区建立的大跨度桥梁面临着更为突出的风致振动问题,而当前规范对峡谷桥梁的抗风设计还没有明确规定。为更加深入认识峡谷风场的分布特性,基于WRF与CFD耦合模式对峡谷桥址风场进行精细化分析,在中尺度气象模式基础上结合多项式插值方法获取入口边界的平均风速,同时对峡谷桥址上游风速进行实时监测,利用实测站脉动特性互等的原则获取数值模拟入口位置的脉动特性。将平均风速和脉动风速综合考虑后利用UDF程序赋给大涡模拟的入口边界并对峡谷桥址位置风场进行详细分析,最后将模拟结果与实测结果的湍流特性进行对比。研究结果表明:考虑脉动风速后的入口边界条件相比于无脉动入口风速其湍流特性与实测值吻合更好;中国现有规范中的标准谱不适用于复杂峡谷桥址地区,如用现有规范设计山区峡谷桥梁,其结果偏不安全;来流风向与峡谷走向是引起加速效应的主要原因,峡谷上游的复杂局部地形是引起峡谷桥址风场多样性的根本原因。研究成果可供山区峡谷大跨度桥梁抗风设计提供参考。

入口速度分布对后台阶流动模拟的影响研究

为深入研究台阶入口速度分布情况对后台阶流动的影响,利用Fluent软件,分别使用S-A和标准κ-ε两种湍流模型,将不同的速度分布情况作为速度入口条件,对后台阶流动进行数值仿真计算,研究了入口条件差异导致的水平速度曲线在近壁面处的凸起情况,并将计算结果与试验数据和已有研究成果进行比较。结果表明,两种湍流模式下,在附着点距离和速度分布曲线上均存在普遍而明显的差异,且这种差异受入口条件影响较大,进而得出了合理的速度入口条件,能有效减小计算结果与试验结果的误差,对理论分析和工程应用均具有参考意义。

计算风工程中几个关键影响因素的分析与建议

通过近几年进行建筑计算风工程的实践与体会,并参考国内外的一些文献,本文给出了合理选取建筑数值风洞大小、最好采用SSTk-ω或BSL雷诺应力湍流物理模型及在建筑模型中的不同区域应按不同的网格尺度要求划分网格的建议;在CFX5软件平台中,对复杂的建筑体型,可选用非结构化网格和四面体单元,对流项的插值格式宜采用接近二阶的混合格式。还选取一立方体建筑模型,通过数值模拟、现场实测和风洞实验结果的比较对建议进行了验证。最后通过未受扰动数值风洞中入口边界条件的保持,给出了适用于我国建筑工程中A、B、C、D四类地面粗糙度类别的入口湍流边界条件,可参考采用。

基于多尺度耦合的城市小区风环境大涡模拟研究

随着生活水平的不断提高,人们对小区的居住舒适度有了更高的要求,然而风环境作为城市舒适度的重要评价指标,目前对其研究还存在明显的不足.为揭示城市小区风场的详细分布规律,本文以长沙梅溪湖国际新城为研究对象,利用WRF与CFD软件多尺度耦合的手段,对不同来流作用下梅溪湖小区风环境进行了数值模拟,实现了城市小区风场数值模拟入口边界条件的精细化研究.研究结果表明:地表粗糙度是引起局部风场复杂多样的主要原因;小区风场受局部地物地貌的影响较大,在建筑群的背风侧风速较低,迎风侧风速较大;不同风向角条件下,风速大小受地形影响较大,且在超高建筑群附近,风速容易发生加速效应.

双层百叶风口数值模拟的速度分区模型

在对室内流场进行数值模拟研究时,入流边界条件的描述直接影响室内气流结果的准确性。关于风口模型的描述有很多,但这些模型绝大部分没有体现实际风口出流速分布不均匀性对模拟结果准确性的影响。为了得到1个简单而又能满足实际工程需求的风口模型,本文根据实验测量的送风口风速,以风速分布为依据,建立速度分区风口模型。使用此模型对不同出流条件的方形和矩形双层百叶风口进行数值模拟,并与实验数据进行对比。结果表明,出流速度的不均匀性对长宽比较大的送风口有很大影响。证明了速度分区模型可以准确描述实际复杂风口空气射流特性,为未来进一步研究室内空气流动提供可靠的依据。

湍流DSRFG与LES风场沿计算域流向变化的影响因素

为生成满足桥梁风工程大涡模拟(LES)要求的入口湍流风场,以丹麦大带桥桥址风特性为例,采用离散再合成的随机流动生成(DSRFG)方法合成了满足目标湍流度、积分尺度、脉动风速谱及空间相关性等参数的各向异性湍流;讨论了DSRFG方法在生成湍流风场上关键参数的合理取值;基于Fluent平台,通过自主开发的用户自定义函数(UDF)程序将生成的湍流风场赋给大涡模拟的入口边界,基于LES研究了不同网格尺寸和时间步长取值,入口湍流风场在计算域流向的变化规律。研究结果表明:DSRFG方法能生成满足桥梁LES模拟要求的指定湍流特性风场,产生的风场风谱和速度分量统计值与目标值吻合较好;入口湍流风场特性在计算域流向有较好的维持,脉动风谱在低频段与目标谱吻合较好,高频段出现一定衰减,而衰减起始频率随网格尺寸和时间步长的减小而增大。最后拟合了网格尺寸与脉动风谱衰减起始频率的关系曲线,建议了LES合适的网格尺寸和时间步大小,相关研究结果可为湍流风场模拟和桥梁风工程大涡模拟提供重要参考。

“回收/调节”方法在混合LES/RANS模拟方法中的应用

采用一种混合大涡模拟/雷诺平均Navier-Stokes(LES/RANS)模拟方法结合三阶加权基本无振荡(WENO)格式对马赫数为2.88的压缩斜坡流动进行了数值模拟,并采用"回收/调节"方法生成入口湍流脉动边界条件.当采用固定入口边界条件时,湍流边界层会缺乏合理的湍流能量,使之抵抗逆压梯度的能力减弱,会严重高估分离区的大小;而当采用"回收/调节"方法时,可以在10倍来流边界层厚度的距离内激励起湍流大尺度结构,计算得到的流场能够再现激波/湍流边界层干扰流场的非定常特性,时间及展向平均壁面压力和试验值吻合较好.

直升机波浪迫降数值模拟

近现代,飞行器在沿海地区的使用越来越普遍,飞机更是成为了跨海运输的主要交通工具之一。在跨海飞行中,飞机由于发动机故障,燃料用尽,机体损坏及恶劣天气等各种原因,导致飞机无法继续飞行,可能被迫要在海上进行迫降。所以20世纪50年代以后,各国都将水上迫降的性能验证内容编入民用飞机试航条例当中,把水上迫降的安全性作为颁发飞机试航证的重要考察点之一,保证水上迫降的可行性。对水上迫降的研究起初大多采用动力相似模型。