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基于大涡模拟的CFD入口条件及脉动风压模拟研究

朱伟亮  
【摘要】:土木工程结构一般处于大气边界层甚至城市下垫层内,近地风场及结构周围流场都可视为不可压缩流体的湍流运动,结构所受风场的来流和结构表面风压具有时变特性。当考虑这些时变特性并研究其影响时,大涡模拟成为数值抗风研究中兼顾精度与计算效率的主要选择。 采用大涡模拟进行工程结构风压预测的前提之一是开发具有近地脉动风特性的脉动入口条件。与其他领域相比,土木工程领域大涡模拟脉动入口条件的特殊性主要体现在:高雷诺数、高湍流度、流动特征受地表形态影响显著等方面。目前,基于大涡模拟的风工程研究多采用均匀流入口,或采用的脉动入口与近地风流动特征差异较大,难于同时满足上述土木工程入口条件的特点。因此,为使其具有近地脉动风的统计特性,本文首先对大气湍流边界层进行模拟,从中提取流动时程作为脉动风压模拟的入口条件,即建立“模拟—提取—应用”的解决模式。这一过程的难点主要在于: 1、近地风流动雷诺数较大,开发稳定高效的模拟程序是实现“模拟—提取—应用”这一过程的首要前提; 2、模拟充分发展的大气湍流边界层需要长距离的几何空间,计算耗时大,提出高效的模拟方法是工程研究关心的问题之一; 3、不同地貌下近地风的流动特征差异较大,建立不同简化模型,使其可反映复杂地表对近地风场的影响,准确模拟出不同地貌下的风场特性。 4、“模拟”环节和“应用”环节的网格和雷诺数一般不匹配,有效保持脉动入口的各项特性,是入口条件应用的关键因素之 针对以上难点,本文提出相应的解决方法和开展的研究工作包括: 第二章阐述大涡模拟控制方程并将其无量纲化后,以差分离散为基础,编制了笛卡尔坐标系下的大涡模拟求解程序。期间,针对于流动的高雷诺数特性,提出了一种基于流动状态调整数值粘性的对流项三阶迎风格式,并在第三章中以一维对流扩散方程为验证模型,证明了该格式在高对流扩散过程中可有效抑制中心差分引起的非物理震荡。作为程序的验证性分析,第三章中,对二维方腔驱动流和三维方柱绕流两个经典算例进行模拟,验证了大涡模拟求解程序对高雷诺数流动求解的稳定性与正确性。 第四章中,为提高边界层模拟的计算效率,采用顺流向周期边界条件缩减了计算域和计算时间。该周期条件引起的不利效应是,随计算时长增加,壁面摩擦阻力使流向速度不断减小。对此,本文提出指数型顺流向恒压力梯度并将其引入流体控制方程,有效控制了流向速度的稳定性。利用普通附面边界层与大气边界层在分层结构上的类似性,将附面边界层内流动作为近地风场的近似,采用顺流向周期边界条件对平板附面湍流边界层进行了模拟。边界层的平均速度及湍流强度剖面基本符合我国A类地貌下的风场特性,速度时程的频谱特性与Karman谱在低频段基本吻合,高频段会存在一些差距,但可通过细化网格提高高频段的模拟效果。提取平板湍流边界层的速度压力时程作为脉动入口,并将其引入一网格变异的验证单元,结果表明该脉动入口的流动特征和统计特性在验证单元内保持较好,对网格变异及雷诺数变异均具有较好的适应性,可为计算风工程所接受。 本文在第五章中建立了简化的粗面边界层模型,以模拟其他地貌下大气边界层。为增大边界层内湍流强度,在平板模型底面布置粗糙元以增大近地湍流度,布置扰流杆增大边界层高处的湍流度。将拟周期边界条件发展到粗面边界层,提高边界层模拟效率的同时保持了顺流向平均速度的稳定。采用粗面边界层模型并结合拟周期条件,分别模拟了我国B、C、D三类地貌下的脉动风场,并将结果与中美澳风荷载规范进行了比较。结果表明,平均速度剖面与规范规定的目标剖面吻合良好,湍流度与规范相比,介于中国与澳大利亚规范的规定值之间。速度频谱与Karman谱在低频段基本吻合,高频段依然存在一定差距。将粗面边界层内的脉动流场作为入口条件引入网格变异的验证单元,分别验证了脉动入口对网格变异性及雷诺数变异性的适应性。结果表明,平均速度剖面在验证单元中基本得到保持;由于粗糙度降低,脉动入口的湍流度在验证单元中有一定衰减,以边界层高处更为突出,雷诺数变异对湍流度影响较小;速度时程的功率谱特性保持较好,且受雷诺数变异性的影响较小;受网格变异的影响,脉动来流进入验证单元后积分尺度有一定改变。 最后,本文在第六章对开发的脉动入口进行了应用研究。将平板和粗面边界层内生成的三类不同湍流强度的脉动入口,引入平屋盖结构的脉动风压模拟中,对其进行零度攻角的绕流模拟,研究了模型表面平均、脉动风压系数,着重比较研究了雷诺数及湍流强度两参数对风压系数的影响;此外,对钝体结构上风压的概率特性及阵风风压的预测也进行了探讨。结果表明,脉动入流下,建筑表面的平均、脉动风压系数与风洞试验基本吻合。雷诺数和湍流强度是影响钝体结构表面平均、脉动风压系数的两个重要因素。当绕流雷诺数增大时,分离区的平均负压以及风压均方根均有所增大。随着来流湍流强度的增大,模型屋盖、侧壁上的最大负压区向迎风边缘及迎风边缘角部移动,且最大负压值也显著增大;迎风面、屋盖和侧壁上风压均方根随湍流强度增大而显著增大。受钝体特征湍流影响,屋盖上分离区风压时程具有非高斯概率特性,尤以气流分离较剧烈的屋盖迎风边缘及屋盖两侧风压的非高斯特性明显,该特征与风洞试验基本一致。受非高斯特性的影响,建议采用峰值因子g预测屋盖上的瞬时风压时,采用较高的峰值因子,取g=4.5~5.5较稳妥。


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