同位网格离散与加密的实施及其在建筑风场模拟中的应用

摘要

气体流场的数值模拟,由于具有高效、快捷及费用低等的特点,在建筑风载与风环境的预测中正得到越来越广泛的重视和应用.风场数值模拟的预测效果,不仅取决于湍流模型与数值迭代方法,还强烈依赖于离散网格的质量及布局的合理性.在建筑风场的数值模拟中,结构化网格由于具有列式简单、计算量小等优点而得到了广泛的应用;然而,目前国内外普遍采用的结构化网格均是基于计算前一次性布置的固定网格.这种网格通常很难适应实际风场中不同区域的风速、风压等的梯度变化要求,从而无法有效地捕捉到局部复杂流动的变化情况及其对建筑物产生的影响.该文的主要目的是提出并建立起一套能在计算过程中自适应调整的网格离散与加密方案并成功应用到单体及群体建筑风场的数值模拟中.该文基于结构化正交网格,为便于实施网格加密,采用了变量同位存储的同位网格体系;为平抑该网格体系下的压力振荡问题,除采用动量插值方法外(单纯采用该方法不能完全平抑振荡),首次提出了在压力校正方程的界面流速中添加压力梯度差值项的方法,从而完全解决了建筑风场模拟中同位网格下可能出现的不合理压力场的问题.通过对同位网格下的边界条件的合理离散和处理,建立了同一网格可适用于不同风向来流风计算的网格离散格式,提高了正交结构化网格对不同风向的适用性.为提高数值模拟解的精度,将适应性网格局部加密(AMR)的思想应用到采用压力校正迭代算法的建筑风场模拟中,并提出了一种半自适应的层块网格加密方法.该方法的特点是:当某一层次网格取得收敛解后,程序根据误差分析自动判别并输出该层次网格内需加密的单元,由于需加密单元的分布一般较为离散和不规则,因此通过人工介入对这些单元进行组块并输入到计算机,程序便开始进行下一层次网格的迭代计算,直至得到满足最终收敛判据的解.依据上述网格离散和加密方案,研制开发了风对建筑绕流的计算机模拟程序WSMR.程序采用FORTRAN语言编制,可实现二维和三维单体及群体建筑的绕流风场的模拟计算,获得建筑绕流风速、表面风压及湍流平均特性等数据;可通过对初始网格实施多层次的网格局部加密,以使风场解达到最终的精度要求.采用编制的计算程序首先对一立方体建筑模型、一矩形截面高层建筑和一双坡屋面建筑的绕流风场进行了模拟计算,分别采用单域和多域加密方案对建筑周围的网格实施了局部加密,数值模拟结果与风洞试验结果以及其他研究者的非加密计算结果进行了比较.结果表明该文的同位网格体系及加密方法不仅简便可行、易于实施,而且能有效提高风场解的精度,其突出表现在建筑周围的绕流流态和建筑表面风压值更为准确.在此基础上,又对群体建筑风场的气动特性进行了模拟和分析,分别计算了两个建筑物因错位距离及通道间距的变化、多个建筑规则排列时因单个建筑高度及位置变化所引起的建筑周围风速和表面压力分布的变化,获得了建筑物之间由于气动相互干扰所引起的风场变化的初步规律.

目录

文摘

英文文摘

第一章绪论

1.1引言

1.1.1静力风荷载效应

1.1.2建筑间的风环境

1.1.3建筑间的气动干扰现象

1.2数值模拟的方法及应用现状

1.3网格应用现状

1.3.1网格的类型

1.3.2网格的加密

1.4本文的主要工作

第二章湍流流动的控制方程

2.1基本方程及常用数值模拟方法

2.1.1湍流运动的基本方程

2.1.2不同的数值模拟方法

2.2雷诺时均数值模拟

2.2.1 Reynolds时均方程

2.2.2湍流封闭模型

2.3扩展的k-ε湍流模型

第三章控制微分方程的离散

3.1同位网格系统

3.2控制微分方程的离散

3.2.1区域的离散和离散方程的建立

3.2.2动量和连续性方程的离散化

第四章求解方法及边界条件的处理

4.1实施压力—速度耦合的压力校正算法

4.1.1压力与速度的校正

4.1.2压力校正方程

4.1.3压力校正算法的步骤

4.1.4非线性方程组的迭代解法及亚松弛方法

4.1.5流场解的收敛判据

4.2边界条件的确定

4.3压力校正方程在边界面上的处理

第五章半自适应的网格块状加密方法

5.1流场模拟中网格加密方法

5.2半自适应块状网格加密方法的结构和实施

5.2.1块状加密网格的结构

5.2.2网格加密方法

5.2.3粗细网格块体界面通量的守恒处理

5.2.4加密层次间的耦合计算过程

第六章程序的设计和实现

6.1算法概要

6.2程序结构及各模块功能

6.3数据存储结构

第七章算例分析

7.1立方体建筑模型的风场模拟

7.1.1 0°风向情况

7.1.2 45°风向情况

7.2矩形截面高层建筑的的风场模拟

7.3双坡屋面建筑模型的风场模拟

7.4群体建筑的风场模拟

第八章群体建筑气动干扰效应的模拟分析

8.1两矩形截面建筑的风场模拟

8.1.1 1、4和7的排列情况

8.1.2 2、5和8的排列情况

8.1.3 3、6和9的排列情况

8.1.4结论

8.2多个矩形截面建筑群体的风场模拟

8.2.1高度变化的情况

8.2.2建筑位置的变化

第九章总结与展望

参考文献

致谢

附：攻读博士学位期间以第一作者发表的论文列表