CFD方法在边界层风洞流场模拟中的应用研究

摘要

边界层风洞是进行结构抗风性能试验的主要设备,边界层风洞中模拟的流场必须能反映实际大气边界风场的主要特性.对风环境模拟的研究在物理风洞试验中一般都称作为流场模拟.流场模拟的主要参数有风攻角、平均风速剖面、紊流度剖面、脉动风功率谱和紊流积分尺度等.然而对这些参数的模拟主要通过不断的调试来完成,需要大量的人力和物力.而随着计算流体动力学的迅猛发展形成的计算风工程则为预先进行数值风洞试验提供了解决方法,即可以在物理风洞试验前,先用数值风洞来模拟这些参数,获得对流场的布置,然后再进行物理风洞试验,从而达到节省人力和物力的目的.为此,该文主要完成了以下儿方面的工作:1.风攻角的模拟计算.该文应用计算流体动力学方法,实现了边界层风洞风攻角的模拟.在物理风洞试验前,用数值风洞来模拟风攻角产生的整个过程,调整斜坡的倾斜角度,来达到所需要的流场攻角.2.风攻角的试验测量.为了验证数值风洞试验的正确性,系统掌握了对风洞中的基本物理量测量的方法,设计了五组攻角模拟器,并利用六孔探头,来测量攻角模拟器影响下的流场.试验中通过编制程序完成了试验数据处理等工作.3.风攻角试验和计算对比分析.通过物理风洞试验测得了流场的风攻角值和平均风速值,并且通过数值风洞试验模拟而得到了模拟流场的风攻角值和平均风速值,对两组数据进行了对比分析,得出了有意义的结论.4.紊流风场的紊流度和风剖面的模拟计算.该文另一个流场模拟课题涉及到了紊流模拟,通过两种主要的紊流模型对大气边界层风洞进行模拟,主要针对风剖面和紊流强度模拟进行初步研究,并与物理风洞试验结果进行比较.以计算流体动力学方法对物理风洞试验进行机理解释,能够对整个物理风场有一个直观的感性认识.在计算中考虑了分流板、粗糙块、入口紊流度、入口涡尺度大小和紊流模型对整个紊流风场的影响.5.上海东海广场紊流风场模拟计算.将上面的计算应用到实际工程中,对上海东海广场的风环境进行了数值风洞模拟,并与物理风洞试验结果进行了比较.

目录

文摘

英文文摘

致谢

第一章概述

1.1 CFD方法提出

1.2 CFD方法发展

1.2.1方法形成

1.2.2工程应用

1.2.3面临问题

1.3流场模拟计算

第二章CFD基本原理

2.1数值模拟方法

2.2CFD基本方程

2.2.1连续方程(质量方程)

2.2.2 Navier-Stokes方程(动量方程)

2.2.3能量方程

2.3 CFD数学模型

2.3.1边界层模型

2.3.2涡量方程模型

2.3.3雷诺时均模型(RANS)

2.3.4大涡模拟模型(LES)

2.3.5直接数值模拟(DNS)

2.3.6数学模型比较

第三章数值计算方法及其应用

3.1方程离散方法

3.1.1有限差分法

3.1.2有限单元法

3.1.3有限体积法

3.1.4边界单元法

3.1.5流场模拟离散方法

3.2离散方程求解

3.2.1非定常不可压流

3.2.2拟压缩法

3.2.3 SIMPLE迭代法

3.2.4流场模拟求解方法

3.3高级计算技术

3.3.1网格生成技术

3.3.2并行计算技术

3.4流场模拟计算

3.4.1平均风攻角

3.4.2平均风剖面

3.4.3脉动风紊流度

第四章风攻角模拟计算

4.1问题的产生

4.2计算软件简介

4.2.1ANSYS软件

4.2.2CFX软件

4.2.3 FLUENT软件

4.2.4STAR-CD软件

4.2.5 PHOENICS软件

4.3ANSYS模拟计算

4.3.1斜坡模型

4.3.2雷诺数

4.3.3正攻角模拟计算

4.3.4负攻角模拟计算

4.3.5主要计算结论

第五章风攻角模拟试验与计算比较

5.1风场模拟方法

5.2试验流场测量

5.2.1压强测量

5.2.2风速测量

5.2.3气流方向测量

5.2.4紊流度测量

5.3攻角模拟装置

5.4CFX模拟计算

5.4.1计算模型

5.4.2计算结果

5.5结果比较分析

5.5.1工况一结果分析

5.5.2工况二结果分析

5.5.3工况三结果分析

5.5.4工况四结果分析

5.5.5工况五结果分析

5.5比较结论

第六章边界层流场模拟计算与试验比较

6.1紊流模型

6.1.1零方程模型

6.1.2二方程模型

6.1.3一方程模型

6.1.4雷诺应力模型(RSM)

6.1.5低雷诺数修正

6.2数值模拟参数分析

6.2.1分流板影响分析

6.2.2粗糙块影响分析

6.2.3入口紊流度影响分析

6.2.4入口涡尺度影响分析

6.2.5紊流模型比较

6.3数值模拟计算示例

6.3.1边界层模拟计算

6.3.2平均风速剖面

6.3.3紊流度剖面

第七章总结与展望

7.1主要工作

7.2主要结论

7.3未来展望

参考文献

附录A正攻角计算结果

附录B负攻角计算结果

附录C攻角模型试验实测结果

附录D攻角模型试验计算结果