青藏高原地形复杂且气候恶劣,对高原空投伞降和航空安全是巨大的挑战;本文基于数值模拟方法,研究一套适用于高原复杂地形的风场精确模拟方法。本研究首先基于WRF(Weather Research and Forecasting)模式的大涡模拟LES(Large Eddy Simula...青藏高原地形复杂且气候恶劣,对高原空投伞降和航空安全是巨大的挑战;本文基于数值模拟方法,研究一套适用于高原复杂地形的风场精确模拟方法。本研究首先基于WRF(Weather Research and Forecasting)模式的大涡模拟LES(Large Eddy Simulation)方案,研究青藏高原大涡模拟方法,构建一套降尺度至40 m水平分辨率的WRF-LES系统。然后,基于青藏高原大风个例,通过敏感性试验研究,评估LES方案和地形高程数据对风场模拟影响。其外,对LES方案的标准亚格子湍流应力模型中参数进行分析,得到青藏高原风场模拟的最优方案组。最后,进行批量试验,检验该方案对高原风场模拟的适用性。试验结果表明:(1)40 m分辨率的WRF-LES系统可模拟得到更精细和准确的风场信息,模拟风速平均绝对误差MAE(Mean Absolute Error)较ACM2方案减小1.4 m·s^(-1)且均方根误差RMSE(Root Mean Square Error)减小1.81 m·s^(-1);(2)高精度地形资料ASTER的接入可以改善模式对风场模拟的效果,各项误差较模式默认地形模拟结果均存在约0.2 m·s^(-1)的改善;(3)LES方案采用基于1.5阶湍流动能方案且常数项系数为0.1时模拟效果最佳,MAE为1.56 m·s^(-1)且RMSE为2.06 m·s^(-1)。批量试验验证了大涡模拟方案对于青藏高原边界层风场模拟具有较强的适用性,40 m分辨率区域风场模拟效果明显优于中尺度模拟效果,可为高原空投伞降提供准确的风场信息。展开更多
针对空化水射流流场空化云演化采用RANS方法模拟不准确的问题,采用大涡模拟(Large-eddy simulation,LES)对风琴管空化喷嘴流场进行数值模拟。基于Mixture多相流模型和Zwart-Gerber-Belamri(ZGB)空化模型,分别采用SM模型(Smagorinsky-Lil...针对空化水射流流场空化云演化采用RANS方法模拟不准确的问题,采用大涡模拟(Large-eddy simulation,LES)对风琴管空化喷嘴流场进行数值模拟。基于Mixture多相流模型和Zwart-Gerber-Belamri(ZGB)空化模型,分别采用SM模型(Smagorinsky-Lilly model,SM)、壁面适应的局部涡黏模型(Wall-adapted local eddy-viscous,WALE)和代数壁面模型(Wall-modeled large eddy simulation,WMLES)3种不同的亚格子模型,对风琴管喷嘴空化水射流流场进行数值模拟,分析空化水射流特性、空化云演化规律及脱落频率。结果表明:WALE模型可以较为准确模拟空化云演化周期,与高速摄像拍摄结果吻合较好;在喷嘴内圆柱段以及扩散段壁面附近产生涡环,加快了空化泡析出,WALE模型较好的模拟了涡环结构;涡量分析表明涡流在喷嘴出口附近出现,射流的末端空化泡破碎产生扰动,大尺度涡演化为小尺度涡,WALE模型模拟出涡的破碎范围较SM模型更大,WMLES模型未捕捉到小尺度涡。展开更多
超高层建筑属风敏感结构,对建筑外形进行适当气动优化可有效降低结构风荷载及风致响应。基于大涡模拟(LES)方法,采用一种新的入口湍流生成方法——NSRFG(narrow-band synthesis random flow generation)方法,进行超高层建筑标准模型(CAA...超高层建筑属风敏感结构,对建筑外形进行适当气动优化可有效降低结构风荷载及风致响应。基于大涡模拟(LES)方法,采用一种新的入口湍流生成方法——NSRFG(narrow-band synthesis random flow generation)方法,进行超高层建筑标准模型(CAARC)角区开槽的气动优化研究。首先进行了CAARC高层建筑标准模型绕流模拟,并将模拟结果与风洞试验结果对比,以验证NSRFG方法的适用性;然后以CAARC模型为基础,设计了4种开槽气动优化方案,通过LES模拟得到基底弯矩功率谱,以估算建筑顶部位移响应和顶部峰值加速度响应。结果对比显示:对于矩形截面高层建筑标模,无论原型还是4种开槽气动优化方案,横风向脉动响应和峰值加速度响应整体比顺风向大;与全封闭原型相比,采取不同开槽方案均能降低顺风向和横风向风振响应,其中角区开槽对顺风向响应的优化效果最好,周向开槽对横风向响应的优化效果最好;4种开槽方案对于横风向响应的优化效果明显优于顺风向,其中相对而言周向开槽优化效果相对最好,使横风向脉动位移响应和横风向峰值加速度响应分别降低28.4%、32.8%。因此,从减小矩形截面超高层建筑结构横风向响应角度考虑,建议采用周向开槽方案。展开更多
本文选取南京市新街口商业区和白下路居民区作为典型研究区域,利用大涡模式(Parallelized Large Eddy Simulation Model,PALM)模拟不同入流风速和风向对流场的影响。结果表明,不同入流风速条件下归一化风廓线基本一致,风廓线总体上主要...本文选取南京市新街口商业区和白下路居民区作为典型研究区域,利用大涡模式(Parallelized Large Eddy Simulation Model,PALM)模拟不同入流风速和风向对流场的影响。结果表明,不同入流风速条件下归一化风廓线基本一致,风廓线总体上主要受到功能区自身建筑物形态的影响,在中性层结下城市冠层内平均风速随高度的变化接近于指数分布。而本文计算得到的指数风廓线衰减系数的范围为0.55~0.81,高于目前城市冠层模式中的默认值,说明目前的城市冠层模式对建筑物密集区域的风速衰减可能存在低估。风速衰减系数主要受迎风面面积的影响,随迎风面积指数的增加而增大。迎风面积指数随入流风向发生改变,在本文研究的商业区和居民区中,行人高度风速随入流风向的改变最大下降幅度可分别达8%和10%。行人高度风速一般在与入流风向平行的街道和开阔的空地上较大,在建筑物密集分布的区域风速较低,由于强烈的狭管效应部分区域的风速可以超过入流风速。不同城市结构中入流风向的影响也不同,在十字路口、对称和非对称街谷以及多排建筑物中局地风场随入流风向存在各种变化。展开更多
文摘针对空化水射流流场空化云演化采用RANS方法模拟不准确的问题,采用大涡模拟(Large-eddy simulation,LES)对风琴管空化喷嘴流场进行数值模拟。基于Mixture多相流模型和Zwart-Gerber-Belamri(ZGB)空化模型,分别采用SM模型(Smagorinsky-Lilly model,SM)、壁面适应的局部涡黏模型(Wall-adapted local eddy-viscous,WALE)和代数壁面模型(Wall-modeled large eddy simulation,WMLES)3种不同的亚格子模型,对风琴管喷嘴空化水射流流场进行数值模拟,分析空化水射流特性、空化云演化规律及脱落频率。结果表明:WALE模型可以较为准确模拟空化云演化周期,与高速摄像拍摄结果吻合较好;在喷嘴内圆柱段以及扩散段壁面附近产生涡环,加快了空化泡析出,WALE模型较好的模拟了涡环结构;涡量分析表明涡流在喷嘴出口附近出现,射流的末端空化泡破碎产生扰动,大尺度涡演化为小尺度涡,WALE模型模拟出涡的破碎范围较SM模型更大,WMLES模型未捕捉到小尺度涡。
文摘超高层建筑属风敏感结构,对建筑外形进行适当气动优化可有效降低结构风荷载及风致响应。基于大涡模拟(LES)方法,采用一种新的入口湍流生成方法——NSRFG(narrow-band synthesis random flow generation)方法,进行超高层建筑标准模型(CAARC)角区开槽的气动优化研究。首先进行了CAARC高层建筑标准模型绕流模拟,并将模拟结果与风洞试验结果对比,以验证NSRFG方法的适用性;然后以CAARC模型为基础,设计了4种开槽气动优化方案,通过LES模拟得到基底弯矩功率谱,以估算建筑顶部位移响应和顶部峰值加速度响应。结果对比显示:对于矩形截面高层建筑标模,无论原型还是4种开槽气动优化方案,横风向脉动响应和峰值加速度响应整体比顺风向大;与全封闭原型相比,采取不同开槽方案均能降低顺风向和横风向风振响应,其中角区开槽对顺风向响应的优化效果最好,周向开槽对横风向响应的优化效果最好;4种开槽方案对于横风向响应的优化效果明显优于顺风向,其中相对而言周向开槽优化效果相对最好,使横风向脉动位移响应和横风向峰值加速度响应分别降低28.4%、32.8%。因此,从减小矩形截面超高层建筑结构横风向响应角度考虑,建议采用周向开槽方案。
文摘本文选取南京市新街口商业区和白下路居民区作为典型研究区域,利用大涡模式(Parallelized Large Eddy Simulation Model,PALM)模拟不同入流风速和风向对流场的影响。结果表明,不同入流风速条件下归一化风廓线基本一致,风廓线总体上主要受到功能区自身建筑物形态的影响,在中性层结下城市冠层内平均风速随高度的变化接近于指数分布。而本文计算得到的指数风廓线衰减系数的范围为0.55~0.81,高于目前城市冠层模式中的默认值,说明目前的城市冠层模式对建筑物密集区域的风速衰减可能存在低估。风速衰减系数主要受迎风面面积的影响,随迎风面积指数的增加而增大。迎风面积指数随入流风向发生改变,在本文研究的商业区和居民区中,行人高度风速随入流风向的改变最大下降幅度可分别达8%和10%。行人高度风速一般在与入流风向平行的街道和开阔的空地上较大,在建筑物密集分布的区域风速较低,由于强烈的狭管效应部分区域的风速可以超过入流风速。不同城市结构中入流风向的影响也不同,在十字路口、对称和非对称街谷以及多排建筑物中局地风场随入流风向存在各种变化。
