采用修正來流條件和粗糙壁面處理方法的繞流問題研究.pdf

1、采用計算流體力學技術(shù)(Computational Fluid Dynamics，CFD)模擬土木工程建構(gòu)筑物的風荷載分布就是求解復雜邊界條件下Navier-Stokes(N-S)方程的特征解。高雷諾流動是實際工程的最重要的風場特性，包括大渦模擬(Large EddySimulation，LES)和直接模擬(Direct Numerical Simulation，DNS)方法均無法很好的解決這個問題。雷諾時均方法(Reynolds Ave

2、raged Navier-Stokes，RANS)是基于時均化理論將非穩(wěn)態(tài)的湍流運動處理為平均流場和雷諾應力場，這種方法的最大優(yōu)點在于在保證流場大尺度流動特性的基礎上，采用模型化方法計算雷諾應力場從而極大地節(jié)約計算資源。RANS方法中，包括大氣邊界層模型化、粗糙壁面處理方法以及渦粘模型(eddy-viscosity modelling)等仍存在一些問題亟待解決。若無法合理解決上述問題，會造成建構(gòu)筑物風荷載計算的誤差，以致在某些風敏感結(jié)構(gòu)

3、的設計與使用中產(chǎn)生隱患和危害。
　　CFD技術(shù)在土木工程中應用首要解決的問題是準確模擬大氣邊界層的湍流流動。基于RANS理論求解湍流問題，是對模型化雷諾應力輸運方程的求解。渦粘模型(eddy viscosity models)將雷諾應力表示為湍流特征尺度和平均風特征尺度的函數(shù)，是現(xiàn)階段應用最廣泛的雷諾應力模型化方法。隨著計算精度要求的逐漸提高，非線性渦粘(nonlinear eddy viscosity models)逐步取代線性

4、渦粘模型成為風工程研究中主要渦粘描述方法。同時，基于模型化大氣邊界層提取的來流條件和粗糙壁面處理方法也對湍流模擬產(chǎn)生重要影響。對于平均風和湍流特征量來流需滿足平衡邊界層假定和邊界層內(nèi)應力分布假定，由此得到的剖面形式才能更好的描述邊界層上游流的特點。盡管對近壁流動處理的方法較多，但是模擬粗糙壁面流動的方法還不夠成熟，其主要原因在于由地表粗糙產(chǎn)生小特征尺度無法用已有特征尺度表示，所以推導適用于不同湍流的粗糙壁面流動處理方法是亟待解決的重要問

5、題之一。
　　針對上述問題，本文圍繞非線性渦粘模型、來流條件以及粗糙壁面處理方法，開展了理論和數(shù)值研究，主要工作和取得的成果如下：
　　1.引入非線性渦粘模型。非線性渦粘模型能夠考慮雷諾應力的各向異性特性，且需確保湍流模型的計算穩(wěn)定性和準確性。由此，本文基于二次Boussinesq假定并將這類渦粘假定擴展到三維流動中，用于6m立方體繞流分析來模擬流場的脈動特性和變化。
　　2.新型平均風和湍流特征量來流條件。引入經(jīng)典氣

6、動粗糙高度y0來描述地表粗糙特性和湍流特征量的交換與輸運，并將該模型與相關(guān)實測結(jié)果進行對比，證明本文選取模型的可行性與正確性。再將y0入到平均風和湍流特征量剖面表達式中來描述上游粗糙效應的影響。
　　3.近壁粗糙流處理。常用的壁面條件無法描述地表粗糙對流動的影響，由此本文基于平衡邊界層假定，針對不同湍流模型推導適合近壁流動處理表達式；這些表達式與對應湍流模型結(jié)合來模擬平衡邊界層流動，并與相關(guān)理論解對比，證明粗糙近壁流動模型的正確性

7、。
　　4.來流條件與近壁流動模型的漸進分析。本文采用漸進分析方法來驗證來流條件與近壁流動模型的正確性和適用性，該方法采用兩種特征尺度，對N-S方程進行處理，得到粘性子層和完全湍流區(qū)的雷諾應力表達式；將二者在緩沖層匹配后得到整個邊界層內(nèi)雷諾應力分布的漸進解。將來流條件和近壁流動模型與漸進解進行對比，證明來流條件和近壁流動模型的正確性。
　　5.6m立方體繞流分析?；贔luent平臺，將上述非線性渦粘假定、來流條件與近壁流動