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工程力学 2020年第5期37卷 15-25页

作者：周桐杨庆山闫渤文 Pham Van Phuc 王京学北京交通大学土木建筑工程学院北京100044 结构风工程与城市风环境北京市重点实验室北京100044 重庆大学土木工程学院重庆400044 清水建设技术研究所日本东京135-8530

随着计算资源的飞速发展以及数值模拟技术的不断进步,大涡模拟被越来越多地应用于结构风工程领域的研究。运用大涡模拟准确模拟结构风效应的关键问题之一是生成满足大气边界层风场特性的入口湍流条件。预前模拟法和人工合成法是目前主... 详细信息

随着计算资源的飞速发展以及数值模拟技术的不断进步,大涡模拟被越来越多地应用于结构风工程领域的研究。运用大涡模拟准确模拟结构风效应的关键问题之一是生成满足大气边界层风场特性的入口湍流条件。预前模拟法和人工合成法是目前主流的两类大涡模拟入口湍流生成方法。该文阐述了不同入口湍流生成方法的基本原理,并梳理其在结构风工程领域的发展。从结构风工程研究的角度出发,对比分析不同方法的特点及适用性。最后,针对当前大气边界层大涡模拟入口湍流生成方法存在的问题,提出了未来研究的展望。

关键词：大涡模拟入口湍流生成方法综述结构风工程预前模拟法人工合成法

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大气边界层来流下的理想山地风场特性大涡模拟研究

大气边界层来流下的理想山地风场特性大涡模拟研究

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作者：周桐北京交通大学

学位级别：硕士

我国大力发展山地风电不仅有利于能源结构的转型升级和生态环境保护的提质增效,还可促进土地资源的合理利用和可持续发展战略的全面实施。然而,当大气边界层风流经山地地形时,由于地表粗糙度、山体坡度、山体形状等因素的影响,通常伴随... 详细信息

我国大力发展山地风电不仅有利于能源结构的转型升级和生态环境保护的提质增效,还可促进土地资源的合理利用和可持续发展战略的全面实施。然而,当大气边界层风流经山地地形时,由于地表粗糙度、山体坡度、山体形状等因素的影响,通常伴随着许多复杂的流动现象,如湍流间歇、分离再附、旋涡脱落等,使得其风速分布沿高度方向非均匀变化并表现出非高斯性,进而导致风能资源评估结果与实际风电场满发小时数产生较大的误差。因此,为促进山区风能资源的高效利用和风电场的优质发展,避免出现低效风机点位,准确预测山地地形周围的湍流风场特性至关重要。本文基于大涡模拟模型对山地湍流风场特性开展了系统的数值模拟研究。首先,主要针对入口湍流生成方法和亚格子模型这两个影响大涡模拟精度的主要因素,发展了预测山地湍流风场的精细化大涡模拟方法。其次,针对风切变系数和湍流强度这两个大气边界层风的关键参数,阐明了大气边界层来流特性对于理想山地地形湍流风场特性的影响机理。具体研究内容如下:(1)阐述大涡模拟的理论基础和关键技术,综述了入口湍流生成方法的基本原理和发展过程,分析了不同入口湍流生成方法的优势及局限性,进而展望了入口湍流生成方法在未来的发展趋势。(2)以中国规范标准地貌风场为目标,基于风洞复现法和CDRFG(Consistent Discretizing Random Flow Generation)方法进行大涡模拟入口湍流生成方法研究。从统计特性、流场结构和计算效率等方面进行对比分析,验证并探讨不同入口湍流生成方法的合理性与可行性,提出大气边界层风场大涡模拟的网格划分策略。(3)对比论证入口湍流生成方法和亚格子模型对于光滑二维山脊和三维山丘湍流风场大涡模拟预测精度的影响,构建理想山地湍流风场的精细化数值模拟框架。从湍流统计特性、流场结构两个维度,对理想山地湍流风场特性进行评估分析,进一步完善其评价体系。(4)本文采用CDRFG方法生成具有不同风切变系数及湍流强度的大气边界层来流,依据本文提出的山地湍流风场精细化模拟方法及评估体系,探究不同坡度的三维山丘湍流风场特性,揭示大气边界层来流与山地湍流风场间的耦合作用机理。

关键词：大涡模拟入口湍流生成方法亚格子模型大气边界层来流山地风场

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大高宽比超高层建筑局部气动抗风措施大涡模拟研究

大高宽比超高层建筑局部气动抗风措施大涡模拟研究

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作者：郭攀广州大学

学位级别：硕士

风荷载是强台风多发地区超高层建筑结构设计的控制性荷载。气动外形优化是降低作用在此类结构上的风荷载及风致响应的常用手段。其主要是通过改变超高层建筑的气动外形提高其抗风性能。气动外形优化措施包括整体策略和局部策略,通常建... 详细信息

风荷载是强台风多发地区超高层建筑结构设计的控制性荷载。气动外形优化是降低作用在此类结构上的风荷载及风致响应的常用手段。其主要是通过改变超高层建筑的气动外形提高其抗风性能。气动外形优化措施包括整体策略和局部策略,通常建筑设计方案已经确定的情况下不允许建筑外形进行较大修改,因此局部气动优化策略更容易被设计师所接受。计算机技术及数值算法的进步使得CFD(Computational Fluid Dynamics)数值模拟技术的发展愈来愈成熟,已成为结构风工程中除风洞试验以外不可缺少的一种研究方法,在建筑结构抗风设计方面发挥重要作用。本文选用瞬态的数值模拟技术大涡模拟(Large Eddy Simulation,LES)并结合课题组近期提出的改进入口湍流生成方法(Modified Narrow Band Synthesis Random Flow Generation,MNSRFG)对一类大高宽比(9:1)超高层建筑进行局部气动抗风措施(开贯穿洞及角区开槽)研究。本文主要内容和结论如下:(1)首先对本课题组提出的改进MNSRFG方法应用于此次研究的适用性进行验证,给出合适的计算参数。对风工程领域通用的CAARC标准高层建筑模型大涡模拟研究,且以风洞试验结果为参照标准进行比较。结果表明,采用改进的MNSRFG方法计算得到的模型表面风压系数、基底弯矩功率谱密度和风致响应具有更高精度,与试验结果吻合较好,标模侧面的脉动风压系数相对误差由原来的16.3%～26.8%下降到7.2%～14.6%,顺风向和横风向的均方根基底弯矩系数相对误差从7.9%、12.7%分别降至3.2%、3.4%。另外根据不同计算时长的模拟结果,建议对高层建筑结构进行LES研究时,模拟总时长换算到实际采样时间要保持在10min以上,这样既满足规范要求又可获得较为准确的数值结果。(2)然后以高宽比为9:1,原型高度为546m的方形截面超高层建筑为基准,沿高度方向依次设置矩形洞口作为局部气动措施方案,包括封闭模型在内共设计10个开洞工况,采用改进的窄带叠加法(MNSRFG)对其进行LES数值模拟研究。通过比较模型表面风压分布、基底弯矩系数功率谱以及结构风致响应来评价各开洞工况的作用效果。结果表明,在0.69H(H为建筑高度)处进行局部贯穿开洞是最佳的气动优化方案,能够最大程度地削减气动力作用,使得顺风向峰值基底弯矩响应减小10.39GN·m,减小幅度约为22.96%,横风向峰值基底弯矩响应减小68.55GN·m,减小幅度约为31.97%。与全封闭方案相比,采用该气动措施后横风向顶部的脉动位移由1.35m降低至0.92m,加速度由0.402m/s降低至0.268m/s,减小幅度均超过30%,由此可见在0.69倍结构高度处开洞具有较好的减振效果。(3)最后,同样以方形截面超高层建筑为基准,考虑在建筑上部、中上部、下部进行角区开敞处理(局部气动措施),运用相同的数值模拟方法对其展开研究。分析在不同高度设置角区开敞后对基底弯矩系数功率谱、峰值基底弯矩响应、顶部位移以及顶部加速度的影响规律,以评估不同开敞方案的整体气动性能。研究结果表明,在建筑中上部(0.65H)设置角区开敞效果相对较好,可显著降低顺风向和横风向的气动弯矩谱能量,尤其是横风向。与全封闭方案相比,顺风向和横风向的峰值基底弯矩响应分别削减了6.15GN·m、37.82GN·m,减小幅度分别为13.76%、17.97%。对于顶部位移,在中上部开敞后可使顺风向位移(平均部分和脉动部分)降低0.041m,横风向脉动位移降低0.235m,两者减小幅度都超过13%。在改善人体舒适度方面,采用中上部开敞方案可减缓横风向约17.22%的峰值加速度响应,作用效果不容忽视。上述研究结果可为同等量级的超高层建筑抗风优化提供参考依据。

关键词：超高层建筑局部气动措施大涡模拟入口湍流生成方法风致响应

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一种改进的大涡模拟入流湍流边界条件模型及在高层建筑风效应模拟中的应用

一种改进的大涡模拟入流湍流边界条件模型及在高层建筑风效应模拟...

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作者：胡晓兵华南理工大学

学位级别：硕士

具有高精度、提供高分辨率流场时空信息的大涡模拟（Large Eddy Simulation,LES）研究,是当前计算风工程领域研究的热点;其中入流湍流的准确模拟,是进行建筑结构风效应研究的前提,也是当前研究的难题。本文首先综述了大涡模拟的基本理... 详细信息

具有高精度、提供高分辨率流场时空信息的大涡模拟（Large Eddy Simulation,LES）研究,是当前计算风工程领域研究的热点;其中入流湍流的准确模拟,是进行建筑结构风效应研究的前提,也是当前研究的难题。本文首先综述了大涡模拟的基本理论和当前各类入口湍流生成方法,再基于国际上较新的NSRFG（Narrow Band Synthesis Random Flow Generation）方法,建议了一种改进的空间相关自保持的大涡模拟入流边界条件数学模型;然后对平衡态大气边界层湍流风场进行了LES验证,并进行了CAARC（Commonwealth Advisory Aeronautical Research Council）标模绕流的详细研究,最后将该数学模型应用到一实际超高层双塔建筑简化模型风效应的数值模拟和风洞试验对比分析中。本文的工作主要包含以下几个方面:（1）对大涡模拟入口湍流生成方法的基本理论和生成方法进行了归纳总结,并基于NSRFG方法开展改进研究,提出了一种改进的空间相关自保持的入流边界条件数学模型——INSRFG（Improved NSRFG）方法,接着详细介绍了改进技术的理论推导过程,最后通过数值分析方法验证了INSRFG方法生成湍流入口脉动风的准确性和可靠性。（2）标准地貌平衡态大气边界层湍流风场的数值模拟研究。分别采用NSRFG LES方法和INSRFG LES方法,对我国荷载规范下四类标准地貌平衡态大气边界层三维脉动风速场进行大涡模拟研究。对数值模拟风场的平均和脉动风特性与理论大气边界层湍流风场特性,进行了充分的比较和验证。结果表明,整体上两种LES入口湍流生成方法所模拟的湍流风场统计特性,均可以满足计算流体动力学（Computational Fluid Dynamics,CFD）数值模拟的要求;比较而言INSRFG方法生成的大气边界层湍流风场的湍流场统计特性,如湍流强度、顺风向脉动风速功率谱等,模拟结果精度相对更高。（3）CAARC标准建筑模型风荷载及风致响应的大涡模拟研究。采用3种新提出的基于湍流合成法的LES入流湍流数学模型,分别为西安大略大学建议的CDRFG（Consistent Discrete Random Inflow Generation）方法和华南理工大学建议的NSRFG方法以及INSRFG方法,进行了CAARC标模三维非定常绕流场的LES数值模拟研究,并以风洞试验结果为参照,详细对比分析了不同LES入口湍流生成方法模拟的CAARC标模绕流湍流风场的平均风压系数和脉动风压系数、基底弯矩功率谱及非高斯特性等湍流特性,验证了3种LES入口湍流生成方法在LES研究中的适用性,以及INSRFG方法的可靠性和准确性。同时,数值模拟结果清晰地描述了迎风面脉动风压的高斯特性,以及受分离流和尾流作用的侧风面和背风面的非高斯性。（4）武汉某超高层双塔建筑简化模型风荷载及干扰效应的大涡模拟研究。以武汉某超高层建筑群项目为工程背景,建立该建筑群中T3、T4办公塔楼的数值风洞简化模型,然后分别采用INSRFG方法、NSRFG方法进行了T3塔楼简化模型在单体工况和干扰工况下的三维非定常绕流大涡模拟研究,并以风洞试验结果为参照,重点探讨分析了两栋邻近高层建筑之间风荷载的相互干扰效应,以及检验了INSRFG方法在工程实践中的适用性。

关键词：超高层建筑大涡模拟入口湍流生成方法 INSRFG方法风荷载干扰效应

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