基于CFD降尺度的复杂地形风场数值模拟研究

在计算机流体力学(Computational Fluid Dynamics,CFD)模式Fluent的基础之上修改传统的RANS湍流参数化方案,选用大涡模拟(Large Eddy Simulation,LES)的湍流方案,并引入温度层结的浮力模型,得到修改后的Fluent模式。使用中尺度预报模式WRF和WRF耦合修改前后的Fluent模式模拟江西鄱阳湖地区内吉山测风站处2010年12月至2011年3月4个月的风速、风向和2011年3月6日吉山站附近地形流场以及气温场的变化过程。结合观测资料的对比发现,WRF模式在耦合Fluent后,对吉山单站点风速风向的模拟效果得到改善。WRF耦合Fluent的模拟方法在Fluent修改后(算例2),相比修改前(算例1)可以更精确地模拟吉山站各高度处的风速风向。4个月70 m高度平均风速WRF、算例1和算例2的平均误差分别为3. 963,2. 727和2. 224 m·s^-1。算例2与观测的70 m高度风向玫瑰图匹配程度总体上比算例1更高。算例2还可以模拟出白天不稳定状态下的热浮力效应和空间分布不均匀且较大的湍动能,能模拟出夜间大气边界层的逆温现象,而算例1则不能。以上结果均表明在对Fluent模式修改后,WRF耦合Fluent的模拟方法对吉山站附近风场的模拟效果得到改善。

沿海复杂地形台风登陆过程风场多尺度数值模拟

我国沿海地区的台风风场研究与预报具有显著的经济和社会效益。多尺度风场数值模拟方法是将WRF中尺度数值气象模拟同小尺度风场大涡模拟结合的数值模拟方法,可实现台风影响下沿海复杂地形风场的精细化研究。本文以2012年台风启德为背景,通过WRF模式有效再现了台风中心路径和近地平均风速风向的24 h时程;采用循环入流方法,将WRF得到的平均风剖面中加入高频风速成分,并作为复杂地形风场大涡模拟的入口条件,模拟近地风场的时间和空间分布。研究表明,台风登陆后受到沿海复杂地形的影响,近地流向湍流强度较海面上增强1倍左右,风速高频成分显著增强,并出现了0.73 m/s向下的竖向平均速度,对局部地区的抗风安全产生较为不利的影响。

陡峭山坡风场数值模拟方法研究

地形起伏是造成山地风场复杂多变的主要原因,其风场特性与基于均匀粗糙平面的风场有很大的区别。为准确模拟山坡地形风场,以坡角45°的简化陡峭山坡为研究对象,采用CFD数值模拟方法进行了流场分析,通过与风洞试验和各国规范对比,详细分析了网格分辨率、湍流模型和坡顶局部光滑处理等因素对数值模拟风场精度的影响。结果表明,采用基本网格尺度布置以及Realizable k-ε湍流模型,在坡顶位置的风压系数值与风洞试验存在一定偏差;在坡顶分离点处采用具有二阶连续性的曲线进行局部光滑,可使得数值模拟所得风速比和风压系数与试验结果更好地吻合,且光滑曲线的过渡段水平距离越短,模拟效果相对越好,坡顶位置的地形加速效应模拟结果与文献试验、中国以及澳大利亚规范具有更好的一致性。

大跨度膜结构周围复杂风场的Monte Carlo模拟

针对膜结构周围复杂地形区域内的三维湍流,采用Monte Carlo模拟技术对非均匀流风场湍流进行建模,用FFT变换代替基于谐波叠加原理的经典模拟方程。湍流功率谱密度矩阵的分解采用本征正交分解获得,用平行算法执行整个模拟程序。最后,将该程序用于模拟一体育场膜结构挑篷周围三维风场。模拟谱与目标谱符合良好,证明了该建模方法和提高计算效率的三种方法的正确性和有效性。

典型山地风场三维效应大涡模拟研究

山地风场研究对于山区建筑物以及构筑物抗风设计至关重要。以余弦型山丘模型为对象,采用大涡模拟方法,研究典型山地风场三维效应。在通过二维模型大涡模拟与文献试验结果对比的基础上,进行三维模型大涡模拟,详细比较两种模型风场特性,时均瞬态流场演化规律;将数值模拟所得地形加速效应与不同国家规范进行对比。结果表明:该文数值方法可有效模拟山地风场平均脉动风特性;相同坡度下,二维和三维模型平均脉动风场变化规律总体相同;地形加速效应在迎风面变化规律基本相同;二维模型加速效应在迎风面和山顶位置偏大,背风面靠近地面处明显小于三维模型;两种模型均在山顶位置发生流动分离;背风面两模型均有复杂漩涡脱落及再附现象,其中二维模型以大尺度涡为主,三维模型以小尺度涡为主,这是由于三维模型顶部脱落漩涡受到山体两侧绕流脱落旋涡撞击和混合所致,使得三维模型在背风面漩涡脱落频率更丰富,能量更为分散,涡脱轨迹更为复杂。

坡度对三维山丘风场特性及绕流机理分析

为研究坡度对山丘地形风场特性的影响,采用基于空间平均的大涡模拟(large eddy simulation, LES)方法进行了非定常绕流数值模拟研究。首先,通过与试验结果的对比,验证了模拟方法及参数的有效性;然后,研究了15°、21.8°、30°和45°4种坡度对山丘的近地绕流平均和脉动风速场的影响,着重从时均和瞬态流场角度进行了影响机理分析;最后,分析了坡度对地形加速效应的影响,并与不同国家规范结果进行了对比。结果表明:大涡模拟方法可以较有效地模拟不同坡度山丘的平均和脉动风速特性;不同坡度山丘迎风面处的平均和脉动风速场的变化规律基本一致,差异主要在山顶和背风面处。在山顶位置,随着坡度的增加,脉动风逐渐增大,以坡度30°为界,山顶处的流向平均风速呈现先减小后增大的趋势,背风面流动分离点逐渐向下游移动,引起涡旋中心位置逐渐向下游移动且远离山丘壁面。在背风面山腰近壁区,以坡度30°为界,当坡度较低时,随着坡度增大旋涡尺度不断增大,旋涡尾迹变宽,能量逐渐集中,流向平均风速逐渐减小,脉动风速逐渐增大;坡度大于该值时变化趋势则相反。不同坡度的地形加速效应趋势基本类似,主要差异在近壁区,结合各国规范本文给出了不同坡度地形加速效应的最大值曲线。

台风风特性现场实测与数值模拟研究综述

台风风特性的现场实测与计算流体力学(computational fluid dynamics, CFD)数值模拟是研究台风作用下结构风效应和城市地形风场特性的主要方法。采用综述形式,对当前台风风场特性现场实测与数值模拟研究的基本方法、主要内容、待解决问题及未来发展趋势进行了归纳及总结。现场实测台风数据为台风风特性的研究提供有力的科学根据,在数值模拟软件中对台风风场进行模拟极大方便了对台风风特性的研究。目前,台风实测数据还十分有限,台风非平稳性和地域性差异等因素导致难以用数值模拟的方式准确描述城市地形风场环境。未来,需以现场实测和数值模拟相结合的方式,总结风场特性,对城市地形风场建立适配的台风数学分析模型,得到合适的结构设计风参数选值方法。