大气边界层风洞中风场的数值模拟

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。

目录

大气边界层风洞中风场的数值模拟

NUMERICAL SIMULATION OF THE AIRFLOW IN ATOMOSPHERIC AIRFLOW IN ATOMOSPHERIC-BOUNDARY-LAYER WIND TUNNEL

摘 要

Abstract

目录

第1章 绪论

1.1 课题研究背景

1.2 大气边界层风场特性

1.2.1 平均风剖面

1.2.2 湍流特性描述

1.3 大气边界层风洞模拟方法

1.3.1 风洞中大气边界层模拟技术

1.3.2 风洞中风场模拟技术发展概况

1.3.3 大气边界层模拟试验调试方法研究

1.4 本文主要研究工作

第2章 CFD数值模拟技术

2.1 粘性流动基本方程

2.1.1 本构方程

2.1.2 连续性方程

2.1.3 纳维-斯托克斯（Navier-Stokes）方程

2.2 数值计算方法

2.2.1 有限差分法（Finite Difference Method）

2.2.2 有限元法（Finite Element Method）

2.2.3 有限体积法（Finite Volume Method）

2.3 网格生成技术

2.4 湍流计算方法

2.4.1 直接数值模拟方法（DNS）

2.4.2 大涡模拟方法（LES）

2.4.3 雷诺时均方法（RANS）

2.5 计算风工程研究的几个热点问题

第3章 CFD数值模拟相关技术问题的探讨

3.1 引言

3.2 计算域的设置

3.2.1 高度的设置

3.2.2 水平尺度的设置

3.3 湍流模型的选择

3.3.1 湍流模型介绍

3.3.2 基本数值模型

3.3.3 计算结果分析

3.4 本章小结

第4章 哈工大风洞中风场的被动数值模拟

4.1 引言

4.2 数值模拟方法的验证

4.2.1 模型的选取

4.2.2 数值验证

4.2.3 结果比较

4.3 被动模拟装置初步设计

4.3.1 尖劈及粗糙元设计

4.3.2 平面布置设计

4.3.3 数值计算

4.4 尖劈和粗糙元模拟方法的参数分析

4.4.1 三角形尖劈加粗糙元的参数分析

4.4.2 梯形尖劈加粗糙元的参数分析

4.5 规范中各类地貌风场的调试

4.5.1 风洞风场模拟的有关指标

4.5.2 A类地貌的模拟

4.5.3 B类地貌的模拟

4.5.4 C类地貌的模拟

4.5.5 D类地貌的模拟

4.6 模拟装置的优化

4.7 本章小结

结论

参考文献

攻读学位期间发表的学术论文

哈尔滨工业大学硕士学位论文原创性声明

哈尔滨工业大学硕士学位论文使用授权书

哈尔滨工业大学硕士学位涉密论文管理

致谢