大气边界层与下击暴流的风场数值模拟

摘要

随着结构抗风研究的不断深入，如何准确地模拟出符合真实风场特性的大气边界层就成为了研究的关键性问题。为了研究大气边界层脉动风场的数值模拟方法，本文借助CFD软件，通过在全尺寸风场模型中布置粗糙元、扰流杆和格栅等构造措施，生成了理想的随机脉动风。对影响数值模拟结果的粗糙元高度、扰流杆间距及格栅布置情况等主要参数进行了分析，确定了其影响规律，并在此基础上对中国建筑规范中的四类地貌风场进行了数值模拟。此外，下击暴流作为常见风灾害的一种，但其对建筑结构的影响在中国建筑规范中尚未予以给出，本文通过CFD软件成功模拟出静止型与移动型下击暴流风场，得到以下结论:
　　一、大气边界层脉动风场
　　(1)粗糙元会显著增大近地面附近的湍流强度，且其增大作用与影响范围随着粗糙元高度的增大而增大;
　　(2)扰流杆对流场上部湍流强度增大作用明显，且其增大效果随着扰流杆的密度增大而增大;
　　(3)通过布置展向格栅可以辅助增大粗糙元与扰流杆影响范围中间交界部分的湍流扰动;
　　(4)通过布置粗糙元、扰流杆与展向格栅的方法可以实现了对边界层风场湍流强度的改变，证明了生成大气边界层风场脉动入口数值方法的可行性，得到的时程数据为后续的结构绕流提供了有价值的来流生成方法。
　　二、下击暴流风场
　　(1)壁面射流模型可以很好地反映下击暴流风场基本特性，所得到的数值模拟结果与经验剖面有着较好的吻合度;
　　(2)在下击暴流风场中，径向风剖面中的水平风速会在距风暴中心径向距离为1Djet处达到最大值，竖向风剖面中的水平风速会在离地高度为80m附近处达到最大值，这与大气边界层风场特性存在显著差异;
　　(3)借助于CFD中的滑移网格技术，对移动壁面射流模型进行数值模拟，可以很好地反映移动型下击暴流风场基本特性。

目录

声明

摘要

第1章 绪论

1．1 课题研究背景及研究意义

1．2 国内外研究现状

1．2．1 大气边界层脉动风场数值模拟国内外研究现状

1．2．2 下击暴流风场数值模拟国内外研究现状

1．3 本文的主要研究内容

第2章 计算风工程数值模拟理论

2．1 大气边界层风场特性

2．1．1 平均风场特性

2．1．2 脉动风场特性

2．2 CFD数值模拟基本理论

2．2．1 粘性流动的基本控制方程

2．2．2 Navier-Stokes方程

2．2．3 湍流运动的数值模拟

2．2．4 大涡模拟控制方程及亚格子模型

第3章 不同粗糙单元对大气边界层风场的影响

3．1 粗糙元模型的原理

3．2 大涡模拟相关技术的关键问题

3．2．1 计算域的确定及粗糙元布置情况

3．2．2 网格划分

3．2．3 时间步长

3．2．4 边界条件设置

3．3 粗糙单元对脉动风场的影响

3．3．1 粗糙元高度

3．3．2 扰流杆间距

3．3．3 展向格栅的配置

3．4 小结

第4章 不同地貌类别大气边界层风场的数值模拟

4．1 模拟的思路及步骤

4．2 四类地貌类别大气边界层的数值模拟

4．2．1 A类地貌

4．2．2 B类地貌

4．2．3 C类地貌

4．2．4 D类地貌

4．3 小结

第5章 静止型下击暴流风场的数值模拟

5．1 下击暴流定义及计算模型

5．1．1 下击暴流的定义

5．1．2 下击暴流的风场模型

5．1．3 下击暴流的计算模型

5．2 静止型下击暴流风场数值模拟

5．2．1 几何模型

5．2．2 网格划分及边界条件

5．2．3 湍流模型

5．2．4 计算结果与分析

5．3 静止型下击暴流风场中高层建筑的数值模拟

5．3．1 计算模型及计算方法

5．3．2 计算结果与分析

5．4 小结

第6章 移动型下击暴流风场的数值模拟

6．1 移动型下击暴流风场数值模拟

6．1．1 经验模型

6．1．2 数值计算模型

6．1．3 计算结果与分析

6．2 移动型下击暴流风场中高层建筑的数值模拟

6．2．1 计算模型及计算方法

6．2．2 计算结果与分析

6．3 小结

总结与展望

致谢

参考文献

攻读硕士学位期间发表的论文及科研成果