风工程数值模拟中平衡大气边界层的研究与应用

基于RANS方法构造满足水平均匀性的自保持平衡大气边界层是计算风工程中一个非常重要但尚未得到很好的解释和解决、同时也经常被忽略的前提问题。本文从描述湍流流动的模型方程角度对这个问题进行了研究。首先基于湍流平衡假设,从两方程标准k-ε模型导出一类近似满足大气边界层自保持要求的湍流来流边界条件;接着将本文建议的此类边界条件运用到模拟钝体建筑结构分离流动具有较好适用性的SST k-ω湍流模型中,通过数值风洞模拟对比算例,验证了作者提出的边界条件在构造自保持平衡边界层中的适用性。通过本文的理论和数值研究,一方面对研究平衡大气边界层的模拟问题提供了一种新的方法,另一方面也为风工程数值模拟提供了一类新的适用的来流湍流边界条件,将对增进计算风工程中模拟平衡边界层的理解有所帮助,因此具有理论和实用价值。

基于SST k-ω湍流模型的平衡大气边界层模拟

为实现SST k-ω湍流模型下空流场大气边界层的平衡,提出通过在湍动能输送方程与比耗散率输送方程中添加源项的方法使来流边界条件与湍流模型相协调,并通过相应的CFD数值算例分别考察了不考虑源项与考虑源项时沿流场不同位置处的平均速度、湍动能及比耗散率剖面的一致性。计算结果表明,当考虑源项时沿流场不同位置处的平均速度剖面、湍动能剖面及比耗散率剖面均有较高程度的一致性,较好地实现了大气边界层的平衡。研究结论为平衡大气边界层的研究提供了新的思路和研究方法,对结构风工程中CFD数值模拟有一定的理论及应用价值。

基于标准k-ε模型的平衡大气边界层模拟

基于标准k-ε模型和FLUENT软件,采用适当的平均风和湍流特征量入口条件,同时在壁面处采用修正壁面函数边界条件,进行空流场的平衡大气边界层模拟。将流场中不同位置处的平均风廓线、湍动能及其粘性耗散等流动特征量的廓线进行对比。结果表明,采用标准k-ε模型结合修正壁面函数对气流流经粗糙度相同的壁面时,不同位置处流动特征量的廓线吻合程度均较高。研究提出对建筑绕流等问题模拟之前需进行空流场的平衡性进行分析,另对文中尚未解决的问题进行讨论并提出解决思路。

平衡大气边界层的数值模拟和风洞实验

通过了风洞实验和计算流体动力学(CFD)模拟的对比,结果显示CFD模拟风特性剖面与实验结果吻合情况符合工程应用的精度要求,说明CFD模拟的有效性和准确性.在进行与风洞试验对比的数值模拟时,研究了壁面Y+值对模拟结果的影响,说明了数值模拟的准确性需要精细的壁面网格的支持.另外,通过CFD数值模拟无限长风洞构造满足水平均匀性要求的大气边界层流场,模拟结果显示模拟满足水平均匀性要求的大气边界层风剖面与计算风工程中通常使用的风剖面有一定的差异,因此针对此问题需要进一步的研究.

平衡大气边界层自保持及TTU风压数值模拟

构造合理且满足水平均匀性的大气边界层是计算风工程的一个重要难题.基于雷诺平均方法,采用标准k-ε湍流模型,结合Richards&Hoxey入口条件,对数值风洞的顶面边界条件施加剪切应力修正,进行二维空流场的平衡大气边界层模拟,给出了一类能够较好满足大气边界层自保持要求的流场边界条件.并将此类边界条件同时运用到标准k-ε湍流模型和SST(shear stress transport)k-ω湍流模型中,针对美国德克萨斯技术大学模型场地试验进行三维流场全尺寸数值模拟,验证了所提边界条件对上述两类双方程湍流模型在低矮建筑钝体绕流的适用性.

基于标准k-ε模型的平衡大气边界层研究

平衡态大气边界层的精确模拟是计算风工程研究中的一项重要且容易被忽视的工作。文章基于标准k-ε模型的控制方程,对大气边界层的平衡条件作出适当假设,总结了与剪应力相关的入流边界条件的通用形式。为实现大气边界层的自保持,在湍动能和耗散率输运方程中添加源项使入流边界条件与湍流模型相协调,并对顶部和底部边界条件施加剪应力修正;然后,分别以二维缩尺和足尺模型为例进行了平衡大气边界层的模拟。研究发现,在湍动能和耗散率输运方程中添加源项对改善大气边界层的自保持产生了不可忽略的影响,在顶部和底部施加剪应力能较好地改善顶部和底部大气边界层的自保持效果,通过同时添加源项和施加剪应力能很好地实现大气边界层的自保持。

基于雷诺应力模型的平衡大气边界层模拟

基于雷诺应力湍流模型(简称RSM模型),研究了平衡大气边界层风场数值模拟问题.假设流体不可压,且不计雷诺应力输运方程中的对流项、浮力产生项、系统旋转产生项和扩散项,在准各向同性的条件下,推导出RSM模型湍动能k的表达式是标准k-ε模型k常数表达式的0.893倍.考虑k沿高度变化的修正,根据在标准k-ε模型中满足水平均匀性的湍流来流边界条件,提出在RSM模型中产生平衡大气边界层的湍流来流边界条件.基于空风洞的数值模拟结果表明,与工程上常用的湍流来流边界条件相比,基于本文提出的湍流来流边界条件得到的风场水平均匀性更优,且在整个流域内,得到的雷诺应力剖面更合适.从而验证了该湍流来流边界条件的适用性.

一类平衡大气边界层边界条件研究

基于标准k-ε湍流模型,首先利用湍流粘度方程和剪切应力在整个边界层内恒定的假设,推导出一类耗散率表达式,并根据常用的湍动能入口剖面方程以及平均风速剖面方程,计算获得相应的耗散率方程;然后在输运方程中添加自定义源项,通过已经确定的平均速度方程、湍动能方程、耗散率方程计算得到相应输运方程的自定义源项表达式,并进行空风洞数值模拟,从而得到了一类满足平衡大气边界层的来流边界条件.通过将这种边界条件与由湍流平衡条件得到的边界条件进行比较,表明本方法获得的边界条件更适用.并且,本方法无需考虑修正壁面函数和修正湍流模型常数,因而计算更为简单,可为平衡大气边界层的研究提供一种新的思路.

平衡大气边界层自保持问题的研究

在计算风工程(CWE)中,实现大气边界层(ABL)来流边界条件的自保持是基本前提条件,然而在很多已发表的文献中这一基本要求被忽视或未得到满足。该文首先回顾了已有研究者对该问题的研究进展,基于SST k-ω湍流模型和平衡湍流假设,推导了适用于一般风工程计算的入口来流边界条件表达式,并结合作者的工作经验给出了适用于地形尺度风场计算的湍流模型常数建议值。随后通过三维平坦场地数值模拟检验所生成风剖面的自保持特性,效果理想。最后对实际山地地形风场进行建模计算,所得结果与现场实测数据基本吻合。

基于k-ε模型模拟平衡态大气边界层的比较研究

平衡态大气边界层的准确模拟是计算风工程领域的基础性难题,也是研究热点问题之一。该文首先对近年来国内外针对这一问题的理论研究成果按入流边界条件、湍流模型参数、附加源项模型以及壁面函数模型等四个方面进行了全面梳理和系统总结,并建议了一组新的标准k-ε模型湍流模型参数和通用壁面函数模型表达式。接着,采用计算流体动力学方法,建立简单边界层流动数值风洞模型,按照以上四种类别采用递进的方法对这些理论成果进行了详细的数值模拟验证和比较分析。结果表明:基于湍动能k方程解析解的入流边界条件并不必然会生成平衡态边界层,它和湍动能剖面的数学模型表达形式关系很大;除入流湍流边界条件外,湍流模型参数取值及壁面函数对平衡态大气边界层的模拟亦有较大影响,而增加源项并不能有效改善速度和湍动能剖面在整个流域范围的自保持性。该文对这一类问题的研究具有一定参考价值。

计算风工程中k-ε模型的边界条件研究

从k-ε湍流模型控制方程入手,对两类满足平衡大气边界层理论要求的入口边界条件进行了详细分析,比较了二者的理论差异。然后以我国公路桥梁抗风规范中建议的A类风场为来流条件,定义了相应的k-ε模型常数与壁面条件,使用两类边界条件进行数值模拟。计算结果表明:两类边界条件结合相应的模型常数与壁面条件,均能在数值模拟中构建基本满足规范要求的平衡大气边界层,但各有其适用范围。在此基础上,对模型常数C1和湍动能耗散率与数值模拟结果之间的关系进行了研究,采用修改模型常数与边界条件的方法,改善了数值模拟结果。

温州机场新航站楼工程风荷载数值模拟研究

以温州机场新航站楼工程为背景,通过在数值模拟平台上建立数值风洞模型,对工程在考虑临近建筑干扰的工况下的平均风荷载进行了数值模拟仿真。在数值风洞模型中,着重对自保持平衡大气边界层的模拟进行了仔细考察。在基于提出的新的湍流来流边界条件下,对所使用的SSTk-ω湍流模型中的参数以及地面边界的粗糙度参数进行适当选取,使得这一计算风工程数值模拟中非常重要但同时难以解决的前提问题得到很好解决,从而避免了由于边界层的不恰当模拟引入的误差。对影响钝体绕流计算结果的重要因素诸如计算域构造、网格离散、湍流封闭模型、对流项离散格式等进行了仔细选取,从而提高了数值模拟的精度。

不同建筑顶部风力机安装位置的数值模拟

基于CFD方法对同一风场下不同屋顶形状的建筑模型进行数值模拟,引入平衡大气边界层和地表粗糙度等影响条件,对比分析5个风向角下6种屋顶结构对应的流场变化,根据25个参考位置的风速增长系数及湍流强度的变化情况来判断理想的风力机安装位置。结果表明:模拟平衡大气边界时,利用流场边界条件以及控制方程参数的修正能实现整个流场入流参数的水平稳定;不同屋顶形状的建筑对应的最佳安装位置在不同的风向下差异较大,在正面迎风的情况下,以流线型为主的拱形和球顶在中心位置处安装风力机能获得1.13倍的风速增长;在所有的迎风情况中,侧面45°迎风中以球顶中心处安装最佳,理论上能提高52.1%的发电效率。

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β、空间相关性和调谐因子γj进行深入理论分析,推导了调谐因子γj与无量纲长度尺度的函数关系,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。