周 桐，閆渤文，楊慶山2,，PhamVan Phuc，王京學(xué)

(1. 北京交通大學(xué)土木建筑工程學(xué)院，北京 100044；2. 結(jié)構(gòu)風(fēng)工程與城市風(fēng)環(huán)境北京市重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京 100044；3. 重慶大學(xué)土木工程學(xué)院，重慶 400044；4. 清水建設(shè)技術(shù)研究所，日本，東京 135-8530)

隨著可用計(jì)算資源的飛速增長和流體模擬方法的不斷發(fā)展，計(jì)算流體動力學(xué)(Computational Fluid Dynamics，CFD)數(shù)值模擬方法被廣泛應(yīng)用于結(jié)構(gòu)風(fēng)工程領(lǐng)域的研究。其中，雷諾平均法(Reynolds Averaged Navier-Stokes，RANS)和大渦模擬方法(Large Eddy Simulation，LES)是計(jì)算風(fēng)工程(Computational Wind Engineering, CWE)研究中最常用的兩類數(shù)值模擬方法。相比于RANS，LES 的主要優(yōu)勢在于能較準(zhǔn)確地預(yù)測結(jié)構(gòu)表面的脈動風(fēng)荷載特性及氣動力時(shí)程、捕捉結(jié)構(gòu)周圍繞流流場的非穩(wěn)態(tài)流態(tài)[1]。因此，大渦模擬方法為高層建筑或大型屋蓋建筑等風(fēng)敏感結(jié)構(gòu)風(fēng)荷載特性及風(fēng)致響應(yīng)的研究提供了強(qiáng)有力的工具。大氣邊界層流動是高雷諾數(shù)、復(fù)雜的多尺度流動現(xiàn)象，近年來提出的多尺度耦合模擬方法采用中尺度大氣模式為微尺度精細(xì)化模擬提供邊界條件，是一種極具潛力的入口湍流生成方法[2]。土木工程結(jié)構(gòu)一般處于近地大氣邊界層內(nèi)，其小尺度湍流脈動會顯著影響結(jié)構(gòu)表面的脈動風(fēng)壓分布和結(jié)構(gòu)周圍的繞流特性[3]，因此，真實(shí)重現(xiàn)目標(biāo)風(fēng)場內(nèi)的小尺度湍流脈動特性是采用大渦模擬準(zhǔn)確評估結(jié)構(gòu)風(fēng)效應(yīng)的重要前提。

預(yù)前模擬法和人工合成法是目前兩類主要的大渦模擬入口湍流生成方法。預(yù)前模擬法是在輔助計(jì)算域生成滿足目標(biāo)風(fēng)場特性的穩(wěn)定來流，然后將其作為主計(jì)算域的入口邊界條件。由于輔助計(jì)算域內(nèi)生成目標(biāo)湍流的具體方式不同，預(yù)前模擬法可進(jìn)一步分成被動模擬法和“回收-變換”法。其中，被動模擬法借鑒大氣邊界層風(fēng)洞的被動模擬技術(shù)，進(jìn)而重現(xiàn)風(fēng)洞試驗(yàn)中模擬的大氣邊界層風(fēng)場。Phuc 等[4]基于風(fēng)洞試驗(yàn)的尖劈、粗糙元布置，建立數(shù)值風(fēng)洞模型，比較真實(shí)地再現(xiàn)了風(fēng)洞試驗(yàn)中模擬的大氣邊界層風(fēng)場。Liu 等[5]通過在動量方程中添加阻力源項(xiàng)來近似模擬粗糙元對來流產(chǎn)生的拖曳力效應(yīng)?！盎厥?變換法”是在輔助計(jì)算域內(nèi)對目標(biāo)風(fēng)場進(jìn)行模擬，并在湍流場充分發(fā)展處提取脈動風(fēng)速時(shí)程數(shù)據(jù)作為主計(jì)算域的入口邊界條件。Lund 等[6]基于光滑平板湍流邊界層相似變換理論，運(yùn)用縮尺函數(shù)對下游平面的瞬時(shí)速度場進(jìn)行調(diào)節(jié)，并將其重新賦給上游入口邊界。Nozawa 等[7]通過在入口邊界和循環(huán)平面建立數(shù)值粗糙元模型，將Lund 等[6]的方法延伸應(yīng)用于粗糙壁面湍流邊界層內(nèi)湍流特性模擬。Kataoka[8]采用邊界層厚度沿順流向不變的假設(shè)對Lund 等[6]的方法進(jìn)行簡化，進(jìn)而研究了方柱的風(fēng)致振動。王婷婷等[9]采用Kataoka[8]的方法，并通過數(shù)值粗糙元和隨機(jī)擾動等措施生成了不同地貌類別的大氣邊界層風(fēng)場，但其邊界層高處的風(fēng)速時(shí)程具有明顯的周期性。Li 等[10]在Kataoka[8]方法的基礎(chǔ)上提出了針對脈動速度的主動控制方法，實(shí)現(xiàn)了對流場內(nèi)湍流強(qiáng)度的快速調(diào)整，進(jìn)而將其應(yīng)用于高雷諾數(shù)湍流邊界層風(fēng)場的模擬。采用預(yù)前模擬法生成的入口邊界條件具有相對真實(shí)的湍流結(jié)構(gòu)，并且滿足流體運(yùn)動的N-S 方程，進(jìn)而入口湍流特性在計(jì)算域內(nèi)可以得到良好的保持。然而，由于該方法無法直接控制生成流場的特性，需預(yù)先已知被動模擬的參數(shù)設(shè)定且計(jì)算成本較高，一定程度地限制了其結(jié)構(gòu)數(shù)值抗風(fēng)研究中的應(yīng)用。人工合成法是通過在入口平面構(gòu)造滿足目標(biāo)湍流特性和空間相關(guān)性的風(fēng)速時(shí)程序列。根據(jù)具體實(shí)現(xiàn)形式的不同，人工合成法可分為譜合成法、本征正交分解重構(gòu)法、數(shù)字濾波法和渦方法[11]。譜合成法是基于三維脈動風(fēng)速譜在頻域內(nèi)生成與目標(biāo)譜相一致的、滿足空間相關(guān)性的脈動風(fēng)場。Kraichnan 等[12]首先采用該方法生成了均勻各向同性的脈動風(fēng)場。Simirnov 等[13]以Kraichnan 等[12]算法為基礎(chǔ)，引入湍流長度尺度和時(shí)間尺度，并通過比例和正交變換生成了非均勻各向異性、滿足高斯譜的脈動風(fēng)場。Huang 等[14]提出了能夠模擬任意能量譜(功率譜)形式脈動風(fēng)場的DSRFG 方法，該方法生成的脈動速度場滿足連續(xù)性方程，并且入口平面上各點(diǎn)的脈動風(fēng)速時(shí)程生成過程相互獨(dú)立，適用于并行計(jì)算。Castro 等[15]在DSRFG方法的基礎(chǔ)上通過時(shí)間尺度參數(shù)的引入考慮了脈動風(fēng)速時(shí)程序列的時(shí)間相關(guān)性?；贒SRFG 方法，Aboshosha 等[16]提出了CDRFG 方法，修正了脈動風(fēng)速功率譜在頻率上的分布，通過建立湍流積分尺度與頻率間的關(guān)系生成了滿足空間相關(guān)性的脈動風(fēng)場。Yu 等[17]基于窄帶過程的模擬和疊加提出了表達(dá)形式更為簡潔、計(jì)算效率更高的NSRFG 方法。本征正交分解重構(gòu)法是結(jié)合本征正交分解技術(shù)和隨機(jī)線性估計(jì)技術(shù)，對熱線風(fēng)速儀或粒子圖像測速儀采集得到的脈動風(fēng)速場進(jìn)行處理以實(shí)現(xiàn)目標(biāo)風(fēng)場的重構(gòu)[18-20]。數(shù)字濾波法是利用數(shù)字濾波器將離散隨機(jī)序列轉(zhuǎn)變?yōu)闈M足指定時(shí)空相關(guān)性的風(fēng)速時(shí)程序列。Klein 等[21]利用高斯濾波器生成了滿足時(shí)空相關(guān)性的入口湍流，但其計(jì)算效率受限于入口平面的網(wǎng)格分辨率。Xie 等[22]利用指數(shù)型速度相關(guān)函數(shù)簡化了濾波過程，進(jìn)而提高了該方法的計(jì)算效率。Kim 等[23]在Xie 等[22]方法的基礎(chǔ)上修正了不可壓縮流動求解器的速度-壓力耦合程序，使其生成的脈動風(fēng)場滿足連續(xù)性條件。渦方法是在平均風(fēng)速剖面的基礎(chǔ)上疊加具有指定形狀、長度尺度和時(shí)間尺度的渦旋結(jié)構(gòu)來生成脈動風(fēng)場。Mathey等[24]在入口平面構(gòu)造隨機(jī)分布的二維高斯渦旋以產(chǎn)生湍流脈動，局部渦旋的特征尺度由湍動能和耗散率定義。Jarrin 等[25]基于形函數(shù)構(gòu)造了具有任意形狀的三維渦旋，提出了一種新的合成渦方法。然而，由于其生成渦的特征尺度單一，因此，生成的風(fēng)譜與實(shí)際大氣邊界層風(fēng)譜不符。Luo 等[26]在Jarrin 等[25]方法的基礎(chǔ)上，通過構(gòu)造特定頻帶范圍的多尺度渦旋，合成了滿足任意脈動風(fēng)速功率譜特性的風(fēng)場。采用人工合成法生成的入口邊界條件滿足大氣邊界層風(fēng)場的統(tǒng)計(jì)特性，并且具有較高的計(jì)算效率。但其無法完全嚴(yán)格滿足流體運(yùn)動的N-S 方程，導(dǎo)致入口湍流特性可能會沿計(jì)算域順流向發(fā)生一定的改變。綜上所述，預(yù)前模擬法和人工合成法存在各自的優(yōu)勢與局限性，然而由于缺乏從結(jié)構(gòu)風(fēng)工程研究的角度對不同方法進(jìn)行深入討論，使得研究人員難以合理選用入口湍流生成方法開展結(jié)構(gòu)風(fēng)工程問題的大渦模擬研究。

本文采用有限體積法(Finite Volume Method，簡稱FVM)的開源軟件平臺OpenFOAM，建立空風(fēng)場數(shù)值模型和尖劈粗糙元數(shù)值模型，分別采用CDRFG 方法和被動模擬法生成大氣邊界層風(fēng)場，從統(tǒng)計(jì)特性、流場結(jié)構(gòu)、計(jì)算效率等方面進(jìn)行對比，驗(yàn)證并探討兩種入口湍流生成方法的合理性與可行性。通過比較不同網(wǎng)格系統(tǒng)下的數(shù)值模擬結(jié)果，分析并提出結(jié)構(gòu)風(fēng)效應(yīng)大渦模擬的網(wǎng)格劃分策略。

1 數(shù)值方法

1.1 大渦模擬

大渦模擬是由Smagorinsky[27]提出的一種湍流數(shù)值模擬方法，其基本思想是通過指定空間濾波函數(shù)將湍流分解為可解尺度湍流和不可解尺度湍流脈動，對可解尺度湍流脈動進(jìn)行直接數(shù)值模擬，對不可解尺度湍流脈動采用亞格子模型來描述?？臻g濾波后的不可壓縮流動的大渦模擬控制方程為：

1.2 CDRFG 方法

CDRFG 方法是Aboshosha 等[16]提出的一種大渦模擬入口湍流生成方法，其基本思想是將三維能譜表示為一系列離散譜的線性疊加，對于每個(gè)離散譜，采用Kraichnan 等[12]方法生成對應(yīng)的隨機(jī)脈動速度場，進(jìn)而合成滿足三維能譜的脈動速度場。

2 基于不同入口湍流生成方法的大氣邊界層風(fēng)場大渦模擬

2.1 數(shù)值模型設(shè)定

為對比兩類不同的大渦模擬入口湍流生成方法，本研究建立了兩種數(shù)值模型：一是驗(yàn)證人工合成方法的空風(fēng)場數(shù)值模型；二是采用被動模擬法的與風(fēng)洞試驗(yàn)保持一致的尖劈粗糙元數(shù)值模型。

2.1.1 計(jì)算域尺寸與網(wǎng)格數(shù)量

1) 空風(fēng)場數(shù)值模型計(jì)算域

空風(fēng)場數(shù)值模型的計(jì)算域尺寸為6.0 m(x)×3.0 m(y)×2.0 m(z)。采用blockMesh 建立兩套非均勻結(jié)構(gòu)化六面體網(wǎng)格系統(tǒng)，以研究順流向網(wǎng)格分辨率對于采用CDRFG 方法的統(tǒng)計(jì)特性及流場結(jié)構(gòu)模擬精度的影響，其參數(shù)設(shè)置如表1 所示。其中，水平向(x、y)的網(wǎng)格分布均勻，但順流向(x)的網(wǎng)格分辨率不同。Grid-1 的網(wǎng)格數(shù)量為32.4 萬，Grid-2 的網(wǎng)格數(shù)量為64.8 萬。為比較準(zhǔn)確地模擬近壁面流動，對近壁面區(qū)域的網(wǎng)格進(jìn)行加密，網(wǎng)格增長率為1.05，壁面首層網(wǎng)格高度為0.0005 m(y+＜5)。

表1 網(wǎng)格設(shè)置Table 1 Grid mesh arrangement

2) 尖劈粗糙元數(shù)值模型計(jì)算域

尖劈粗糙元數(shù)值模型的計(jì)算域尺寸為18.0 m(x)×3.0 m(y)×2.0 m(z)，尖劈和粗糙元的布置與風(fēng)洞試驗(yàn)保持一致。其中，曲邊梯形尖劈迎風(fēng)板的底邊長L=0.4 m，高H=1.4 m；而立方體粗糙元的尺寸為0.07 m。采用snappyHexMesh 生成兩套高質(zhì)量的非結(jié)構(gòu)化六面體網(wǎng)格系統(tǒng)，以研究順流向網(wǎng)格分辨率對于采用被動模擬法的統(tǒng)計(jì)特性及流場結(jié)構(gòu)模擬精度的影響，如圖1 所示。其中，背景網(wǎng)格(Level 0)的水平尺寸為0.128 m，尖劈和粗糙元網(wǎng)格(Level 4)的水平尺寸為0.008 m，壁面第一層網(wǎng)格尺寸約為0.0015 m (y+＜5)。Grid-1中，尖劈至目標(biāo)區(qū)域間的網(wǎng)格采用逐級加密的策略進(jìn)行劃分(Level 1→Level 3)，網(wǎng)格數(shù)量為921 萬；而Grid-2 中，則保持尖劈至目標(biāo)區(qū)域的網(wǎng)格分辨率一致(Level 3)，網(wǎng)格數(shù)量為1294 萬。

2.1.2 邊界條件

空風(fēng)場數(shù)值模型的入口采用速度入口邊界，其輸入?yún)?shù)為基于CDRFG 方法生成的滿足目標(biāo)風(fēng)場特性的風(fēng)速時(shí)程序列；而尖劈粗糙元數(shù)值模型則入口邊界條件采用均勻來流，通過尖劈、粗糙元對其形成擾動，進(jìn)而生成大氣邊界層風(fēng)場。邊界條件設(shè)置如表2 所示。

圖1 尖劈粗糙元數(shù)值模型的計(jì)算域尺寸及網(wǎng)格劃分Fig. 1 Computational domain and mesh setting-up of the spires and roughness blocks

表2 邊界條件設(shè)置Table 2 Setting of boundary condition

2.1.3 求解策略

對N-S 方程的時(shí)間導(dǎo)數(shù)項(xiàng)時(shí)間離散采用二階隱式格式，對流項(xiàng)空間離散采用二階中心差分格式，壓力梯度項(xiàng)采用高斯積分的線性格式，擴(kuò)散項(xiàng)離散采用高斯積分的線性修正格式。對速度N-S方程和壓力泊松方程分別采用預(yù)條件雙共軛梯度法和代數(shù)多重網(wǎng)格法求解，對壓力速度耦合方程采用PISO 算法求解。

空風(fēng)場數(shù)值模型和尖劈粗糙元數(shù)值模型均采用超線程16 核工作站進(jìn)行計(jì)算。為滿足庫朗數(shù)CFL＜1 的要求，時(shí)間步長分別選取為0.001 s 和0.0002 s。為得到穩(wěn)定的收斂解，空風(fēng)場數(shù)值模型的計(jì)算時(shí)長為30 s，提取10 s～30 s 的模擬數(shù)據(jù)進(jìn)行流場分析；尖劈粗糙元數(shù)值模型的計(jì)算時(shí)長為9 s，提取3 s～9 s 的模擬數(shù)據(jù)進(jìn)行流場分析。

2.2 計(jì)算結(jié)果

2.2.1 統(tǒng)計(jì)特性

圖2 給出了兩套網(wǎng)格系統(tǒng)下，CDRFG 方法生成的大氣邊界層風(fēng)場統(tǒng)計(jì)特性與目標(biāo)風(fēng)場統(tǒng)計(jì)特性的對比。其中，參考高度href=0.05 m，對應(yīng)的參考風(fēng)速Uref=10 m/s。從圖2 中可知：入口處的大氣邊界層風(fēng)場統(tǒng)計(jì)特性與目標(biāo)風(fēng)場統(tǒng)計(jì)特性吻合較好，初步驗(yàn)證了CDRFG 方法的可行性與準(zhǔn)確性。在兩套網(wǎng)格系統(tǒng)下，計(jì)算域下游不同位置的平均風(fēng)速剖面和湍流強(qiáng)度剖面與目標(biāo)剖面吻合較好，僅在近地面區(qū)域存在一定偏差，這可能與近地面區(qū)域的網(wǎng)格尺寸和亞格子模型的求解精度有關(guān)。其中，x/H=4(H=1 m)處的模擬值與目標(biāo)值偏差較小，這是由于人工合成湍流需要一定的發(fā)展距離以形成目標(biāo)湍流。不同網(wǎng)格系統(tǒng)對應(yīng)的脈動風(fēng)速功率譜存在一定差異，其截止頻率主要取決于目標(biāo)區(qū)域的網(wǎng)格分辨率，因此，在結(jié)構(gòu)風(fēng)效應(yīng)的大渦模擬中應(yīng)基于決定風(fēng)敏感工程結(jié)構(gòu)響應(yīng)的能量集中區(qū)的頻帶范圍確定。而不同網(wǎng)格系統(tǒng)對應(yīng)的脈動風(fēng)速空間相關(guān)性基本一致，但其沿計(jì)算域順流向均會發(fā)生一定變化，后續(xù)研究中應(yīng)予以關(guān)注。當(dāng)采用CDRFG 方法生成大渦模擬入口湍流時(shí)，計(jì)算域入口至目標(biāo)區(qū)域之間應(yīng)具有較高的網(wǎng)格分辨率，以保證入口湍流特性在計(jì)算域內(nèi)具有較好的自保持性。

圖2 CDRFG 方法生成的大氣邊界層風(fēng)場統(tǒng)計(jì)特性Fig. 2 Statistical characteristics of atmospheric boundary layer wind field generated by CDRFG method

圖3 給出了兩套網(wǎng)格系統(tǒng)下，被動模擬法生成的大氣邊界層風(fēng)場統(tǒng)計(jì)特性與目標(biāo)風(fēng)場統(tǒng)計(jì)特性的對比。其中，參考高度 href=0.4 m，對應(yīng)的參考風(fēng)速Uref=13 m/s。需要指出的是，準(zhǔn)確的風(fēng)洞試驗(yàn)結(jié)果是采用被動模擬法生成對應(yīng)目標(biāo)湍流風(fēng)場的重要前提條件。在滿足這個(gè)條件的前提下，平均風(fēng)速剖面、湍流強(qiáng)度剖面和脈動風(fēng)速功率譜的模擬精度很大程度上取決于網(wǎng)格分辨率。當(dāng)網(wǎng)格分辨率足夠高時(shí)，基于大渦模擬，采用被動模擬法能比較真實(shí)地重現(xiàn)風(fēng)洞試驗(yàn)中的大氣邊界層風(fēng)場，但近地面區(qū)域的模擬結(jié)果與風(fēng)洞試驗(yàn)結(jié)果仍然存在一定偏差，其主要原因可能是真實(shí)風(fēng)洞中的壁面粗糙度影響未知，難以在數(shù)值風(fēng)洞的壁面邊界條件設(shè)定中合理考慮。當(dāng)運(yùn)用被動模擬法生成高湍流度大氣邊界層風(fēng)場時(shí)，應(yīng)保證尖劈至目標(biāo)區(qū)域的網(wǎng)格分辨率足夠高，進(jìn)而比較準(zhǔn)確地模擬平均風(fēng)剖面和湍流度剖面。同時(shí)，采用本文兩套網(wǎng)格系統(tǒng)得到的脈動風(fēng)速功率譜的截止頻率基本一致，說明脈動風(fēng)速功率譜的截止頻率主要取決于目標(biāo)區(qū)域的網(wǎng)格分辨率。類似于風(fēng)洞試驗(yàn)，被動模擬法無法預(yù)先考慮脈動風(fēng)場的空間相關(guān)性，因此，其生成的脈動風(fēng)速空間相關(guān)性與目標(biāo)值相差較大。

圖3 被動模擬法生成的大氣邊界層風(fēng)場統(tǒng)計(jì)特性Fig. 3 Statistical characteristics of atmospheric boundary layer wind field generated by passive simulation method

在數(shù)值模擬研究中，計(jì)算精度和計(jì)算效率的平衡至關(guān)重要。表3 總結(jié)了不同網(wǎng)格系統(tǒng)下，CDRFG方法和被動模擬法的計(jì)算誤差均值和單位計(jì)算時(shí)長。從表3 中可知，在滿足較高計(jì)算精度的條件下，CDRFG 方法的計(jì)算效率是被動模擬法的20 倍～30 倍。同時(shí)，CDRFG 方法通過調(diào)整湍流風(fēng)場的統(tǒng)計(jì)特性參數(shù)能模擬得到目標(biāo)湍流特性風(fēng)場，而被動模擬法則需要通過調(diào)整數(shù)值風(fēng)洞中尖劈、粗糙元的幾何形狀和幾何位置并重新劃分網(wǎng)格來實(shí)現(xiàn)對于不同目標(biāo)風(fēng)場的模擬，工作效率較低。

表3 不同入口湍流生成方法的計(jì)算精度和計(jì)算效率比較Table 3 Comparison of the accuracy and efficiency betweenthe different inflow turbulence generation methods

2.2.2 流場結(jié)構(gòu)

真實(shí)重現(xiàn)大氣邊界層流場結(jié)構(gòu)是準(zhǔn)確模擬工程結(jié)構(gòu)周圍復(fù)雜繞流形態(tài)(撞擊、分離、環(huán)繞、再附著、漩渦脫落等)的關(guān)鍵。Q 準(zhǔn)則是識別流場內(nèi)部渦旋結(jié)構(gòu)的有效工具，圖4 給出了基于Q 準(zhǔn)則得到的CDRFG 方法和被動模擬法生成的大氣邊界層瞬時(shí)渦量云圖。從圖4 中可知：CDRFG 方法生成的大氣邊界層流場在一定程度上呈現(xiàn)出與真實(shí)大氣湍流相符的不規(guī)則性、隨機(jī)性與多尺度性，但被動模擬法生成的大氣邊界層流場結(jié)構(gòu)更加合理，其渦旋尺度隨高度增加而增加，且在遠(yuǎn)離地面區(qū)域具有一定數(shù)量的大尺度渦旋。圖5 給出了兩套網(wǎng)格系統(tǒng)下，基于Q 準(zhǔn)則得到的被動模擬法中尖劈后部區(qū)域的瞬時(shí)渦量云圖。從圖5 中可知：當(dāng)尖劈后部區(qū)域的網(wǎng)格分辨率較高時(shí)，能更精細(xì)地捕捉到流場內(nèi)部的小尺度渦旋結(jié)構(gòu)。在結(jié)構(gòu)風(fēng)效應(yīng)大渦模擬中，計(jì)算域內(nèi)的網(wǎng)格分辨率通常需要根據(jù)具體研究對象和問題的特點(diǎn)來進(jìn)行確定。例如：當(dāng)研究剛性結(jié)構(gòu)的風(fēng)致振動時(shí)，來流風(fēng)的低頻脈動(大尺度渦旋)占主導(dǎo)地位，計(jì)算域內(nèi)的網(wǎng)格分辨率要求相對較低；而當(dāng)研究柔性結(jié)構(gòu)的風(fēng)致振動時(shí)，來流風(fēng)的高頻脈動(小尺度渦旋)會顯著增大結(jié)構(gòu)的動力響應(yīng)，計(jì)算域內(nèi)的網(wǎng)格分辨率應(yīng)足夠高以保證在結(jié)構(gòu)感興趣的頻率范圍內(nèi)獲得準(zhǔn)確的脈動信息。

圖4 不同入口湍流生成方法的大氣邊界層瞬時(shí)渦量云圖Fig. 4 Instantaneous vorticity contours of atmospheric boundary layer obtained by different inflow turbulence generation methods

圖5 不同網(wǎng)格分辨率下被動模擬法的大氣邊界層瞬時(shí)渦量云圖Fig. 5 Instantaneous vorticity contours of atmospheric boundary layer obtained by passive simulation method under different grid resolutions

3 結(jié)論

本文采用CDRFG 方法和被動模擬法生成大氣邊界層風(fēng)場，從統(tǒng)計(jì)特性、流場結(jié)構(gòu)和計(jì)算效率等方面對兩種入口湍流生成方法進(jìn)行對比分析，驗(yàn)證并探討兩種入口湍流生成方法的合理性與可行性；通過比較不同網(wǎng)格系統(tǒng)下的數(shù)值模擬結(jié)果，提出了開展結(jié)構(gòu)風(fēng)效應(yīng)大渦模擬的合理網(wǎng)格劃分策略。本文的主要結(jié)論如下：

(1) 相比于CDRFG 方法，被動模擬法無法預(yù)先考慮脈動風(fēng)場的空間相關(guān)性，并且準(zhǔn)確的風(fēng)洞試驗(yàn)結(jié)果是采用被動模擬法生成對應(yīng)目標(biāo)湍流風(fēng)場的重要前提條件。

(2) 相比于CDRFG 方法，被動模擬法生成的大氣邊界層流場結(jié)構(gòu)更加合理，主要體現(xiàn)在渦旋尺度隨高度增加而增加，且在遠(yuǎn)離地面區(qū)域具有一定數(shù)量的大尺度渦旋。

(3) 相比于CDRFG 方法，被動模擬法的計(jì)算效率較低。通過調(diào)整CDRFG 程序中的風(fēng)場統(tǒng)計(jì)特性參數(shù)能較準(zhǔn)確地模擬得到滿足流場統(tǒng)計(jì)特性要求的目標(biāo)風(fēng)場，而被動模擬法則需要依據(jù)風(fēng)洞試驗(yàn)布置重新建立數(shù)值模型并劃分網(wǎng)格，工作效率較低。

(4) 提高網(wǎng)格分辨率能有效改善兩種入口湍流生成方法對于平均風(fēng)剖面、湍流度剖面和脈動風(fēng)速譜的模擬精度。采用大渦模擬進(jìn)行結(jié)構(gòu)風(fēng)工程問題研究時(shí)，應(yīng)根據(jù)決定風(fēng)敏感工程結(jié)構(gòu)響應(yīng)的能量集中區(qū)的頻帶范圍確定合理確定目標(biāo)模型區(qū)域的網(wǎng)格分辨率。例如，針對(超)高層建筑或大跨屋蓋建筑這類風(fēng)敏感結(jié)構(gòu)的風(fēng)效應(yīng)大渦模擬，應(yīng)保證入口邊界到目標(biāo)模型處的區(qū)域以及目標(biāo)模型的近壁面區(qū)域具有足夠高的網(wǎng)格分辨率，進(jìn)而比較準(zhǔn)確地再現(xiàn)來流小尺度渦旋結(jié)構(gòu)并捕捉其繞流流場的復(fù)雜湍流流動特性。