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大气边界层风洞中风场的数值模拟

许伟  
【摘要】: 哈尔滨工业大学正在建设的风洞试验室,是一座能同时模拟大气边界层风场和海浪联合作用的闭口回流式风洞。目前外部土建工程部分已经完成,洞体安装和水槽施工也正在进行之中。洞体安装完成后,需在试验段中加入人为的干扰装置,以形成风洞试验所需要的各类大气边界层风场条件。由于CFD数值模拟技术可简便、快捷地再现风洞中的流场状态,因此,在风洞建成之前,采用CFD数值模拟技术对边界层风场进行模拟,再现风洞来流条件具有十分重要的意义。 利用CFD数值技术模拟钝体绕流流场,计算参数众多,计算精度和诸多因素有关,因此参数的正确设置尤为重要。本文针对标准立方体及其拓展模型,开展了对计算域尺寸的研究,给出了五种不同体型建筑的计算域设置标准;此外,本文还针对标准立方体模型,对数值计算湍流模型的选取进行了深入的研究,给出了在CFX软件中合适钝体绕流模拟的湍流模型。 基于上述研究,本文针对哈工大风洞的小试验段建立了全尺度模型,将被动模拟技术中的尖劈、粗糙元装置引入到数值风洞中,开展了对大气边界层风场的数值模拟研究。首先,对同济大学TJ-2号风洞的风场发生装置进行模拟,通过与试验数据的比较,验证了采用CFD技术模拟大气边界层风场的可行性;其次依据风场模拟经验对哈工大风洞的被动模拟装置进行了初步设计,并以此为基础对尖劈加粗糙元被动模拟技术展开了一系列参数分析研究,得到了进行风场调试时的主要控制参数及其对风场特性的影响规律;最后将参数分析结论应用于对规范中ABCD四类地貌风场指标的模拟,通过不断调试,给出了四类地貌的具体模拟装置的尺寸及布置方式。此外,在不影响下游模型中心处流场的情况下尽量减少尖劈和粗糙元的种类,对上述模拟装置进行了优化设计,以减少变换布置时的工作量。


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