建筑物脉动风压场大涡模拟入流边界条件的生成研究

摘要

高层及大跨建筑物对风的作用很敏感，因此风荷载是其结构设计中要考虑的主要荷载之一。大涡模拟技术已成为模拟建筑物结构周围风环境及计算风荷载的一种重要手段，其脉动入流边界条件是影响模拟结果准确性的关键因素之一。
　　 在大涡模拟计算中，预前模拟法是其确定入流边界条件的主要方法之一。该方法通过对粗糙元阵列直接进行数值模拟以生成符合实际大气边界层湍流统计特征的脉动风速时程，并将模拟数据存贮以备实际大涡模拟使用。
　　 本文的研究工作基于预前模拟法思想，依托ANSYS-CFX13.0软件平台，围绕着建筑物脉动风压场大涡模拟入流边界条件的生成进行研究：系统归纳了钝体绕流基本特性和有关湍流理论；通过引入计算流体的基本运动方程给出大涡模拟的基本控制方程；以数值风洞方式，采取设置粗糙元的方法生成一定边界层厚度的湍流；分析大气边界层风场的大涡模拟的关键技术因素，如计算域的选取、粗糙元的布置、网格的划分及边界条件、初始条件和时间步长的确定等。
　　 本文以错列的排列方式进行粗糙元的布置，用大涡模拟进行了模拟。通过与实际大气边界层湍流统计特征的分析比较，结果表明：网格划分的密度是决定大涡模拟准确性的重要因素。在本文设置的网格密度下，模拟得到的脉动风速时程在低频段能真实地反映实际大气边界层湍流统计特征，高频段失真。因此，在合理的网格密度下，采用该法可以生成满足建筑物脉动风压场大涡模拟入流边界条件所要求的脉动风速时程。
　　 本文主要对建筑物脉动风压场大涡模拟入流边界条件的生成进行研究，同时分析总结了大涡模拟方法中的关键影响因素。该课题的研究能够为两个方向的研究提供参考：一是可以作为建筑物脉动风压场大涡模拟入流边界条件的一种生成途径；二是可以为此类大涡模拟方案的制定提供参考。