基于雷诺平均法的数值风洞技术研究与应用

作     者：解国良 

作者单位：西安建筑科技大学 

学位级别：硕士

导师姓名：吴耀鹏

授予年度：2015年

学科分类：081405[工学-防灾减灾工程及防护工程] 08[工学] 0814[工学-土木工程] 

主      题：计算流体动力学 数值风洞 雷诺平均法 湍流模型 

摘      要：在结构风工程领域,数值风洞技术刚刚兴起,它与风洞试验的属性相同,但相比现场实测和风洞试验,它可进行结构全尺寸、高雷诺数计算,对某些问题能进行理想化研究,便于参数化分析,能提供丰富的风荷载数据,且成本低,周期短,节省人力、物力、财力。近年来,很多学者以数值风洞为基础,对结构风工程领域的相关问题进行了深入研究,并取得了丰硕的研究成果。然而,由于湍流流动的复杂性,目前数值风洞技术还存在很多问题,在理论和实际应用方面仍需进一步研究。本文主要研究内容及结论如下:首先介绍流体运动基本方程,并以此为基础,讲述湍流流动中常用的几种湍流模型、基本控制方程在空间域和时间域上的离散方法、源项和近壁面处的处理方法,为进一步数值模拟提供充分的理论依据。采用雷诺平均法中的不同湍流模型对方柱绕流进行数值模拟,数据显示,雷诺应力模型(RSM)在流场参数的时程振动、时均值、尾部旋涡脱落方面都表现较好;RNG k-ε湍流模型和Realizable k-ε湍流模型在时程振动、尾部旋涡脱落方面效果较差,但在流场参数时均值方面与RSM湍流模型相当;Standard k-ε湍流模型无法得到流场参数时程振动和尾部旋涡脱落情况,在参数时均值方面效果也稍差。采用RSM湍流模型分析方柱绕流和圆柱绕流流场特性,分析升力系数、阻力系数、斯托罗哈数、尾部旋涡的分布情况,结果表明,圆柱绕流在一定雷诺数下存在阻力危机现象,而方柱绕流不存在,但圆柱绕流发生阻力危机时,所在的雷诺数范围与相关文献有一定差距。以国家大剧院为实例,采用雷诺平均法中定常的RNG k-ε湍流模型分析其表面及周围流场分布,结果表明,国家大剧院表面主要受竖向吸力,迎风面表现为正压区,顶面和侧面表现为负压区,背风面由于旋涡影响压力分布混乱,压力值较小,且不同风向角下,压力分布遵循一定的规律。人民大会堂对国家大剧院风压分布有较大影响,尤其在国家大剧院上风向时,国家大剧院位于人民大会堂后方旋涡脱落区,表面压力分布混乱无规律,且由于屏蔽作用,压力值相对较小。将部分计算结果与风洞试验数据对比发现,数值模拟与风洞试验吻合较好,能与风洞试验相结合,为工程抗风设计提供依据。