基于諧波合成法的大渦模擬脈動(dòng)風(fēng)場生成方法研究*

沈 煉 ,韓 艷? ,蔡春聲,2 ,董國朝

(1. 長沙理工大學(xué) 土木與建筑學(xué)院，湖南 長沙 410114；2. 路易斯安那州立大學(xué) 土木與環(huán)境工程，美國路易斯安那州，巴吞魯日 70803)

基于諧波合成法的大渦模擬脈動(dòng)風(fēng)場生成方法研究*

沈 煉1,韓 艷1?,蔡春聲1,2,董國朝1

(1. 長沙理工大學(xué) 土木與建筑學(xué)院，湖南 長沙 410114；2. 路易斯安那州立大學(xué) 土木與環(huán)境工程，美國路易斯安那州，巴吞魯日 70803)

為準(zhǔn)確模擬大渦模擬入口處的脈動(dòng)信息，在充分考慮脈動(dòng)風(fēng)場的功率譜、相關(guān)性、風(fēng)剖面等參數(shù)前提下，運(yùn)用諧波合成方法生成了滿足目標(biāo)風(fēng)場湍流特性的隨機(jī)序列數(shù)，通過對(duì)FLUENT軟件平臺(tái)進(jìn)行二次開發(fā)，將生成的隨機(jī)序列數(shù)賦給大渦模擬的入口邊界，從而實(shí)現(xiàn)了大渦模擬的脈動(dòng)輸入.基于風(fēng)洞試驗(yàn)數(shù)據(jù)，分別建立了兩種模擬脈動(dòng)風(fēng)場的數(shù)值模型，一為沒有任何障礙物的空風(fēng)洞，運(yùn)用諧波合成方法生成的隨機(jī)序列數(shù)作為入口邊界來生成脈動(dòng)信息；二為與真實(shí)風(fēng)洞一致的尖劈粗糙元風(fēng)洞，采用平均風(fēng)作為入口邊界，利用尖劈粗糙元對(duì)風(fēng)場的擾動(dòng)來產(chǎn)生脈動(dòng)信息.通過對(duì)比兩種數(shù)值模型發(fā)現(xiàn)：基于諧波合成方法生成的脈動(dòng)風(fēng)場可作為大渦模擬的入口邊界，可為大渦模擬脈動(dòng)入口研究提供參考.

大渦模擬；諧波合成；數(shù)值模擬；脈動(dòng)風(fēng)場

大渦模擬在計(jì)算資源與計(jì)算效率方面是雷諾時(shí)均模擬(RANS)和直接模擬(DNS)的折中，集成了二者優(yōu)勢，因此在CFD模擬方面得到了廣泛應(yīng)用.但在實(shí)際運(yùn)用過程中，大渦模擬入口邊界處的脈動(dòng)信息給定問題還沒有得到完全解決[1].目前，許多學(xué)者直接將均勻來流賦給入口邊界，沒有考慮脈動(dòng)信息的作用．而在實(shí)際風(fēng)場中，來流脈動(dòng)對(duì)結(jié)構(gòu)的脈動(dòng)風(fēng)壓和瞬時(shí)風(fēng)荷載起著非常重要的作用[2]，有著不可忽略的地位.因此，非常有必要在大渦模擬過程中考慮脈動(dòng)信息的影響.

針對(duì)大渦模擬脈動(dòng)入口研究方法，可以將其分為三類[3]，第一類為“預(yù)前模擬法”，是運(yùn)用一個(gè)預(yù)前模擬區(qū)域，將目標(biāo)風(fēng)場預(yù)先模擬出來，然后賦給主模擬區(qū)域的入口邊界.朱偉亮等[2]在預(yù)前模擬區(qū)域用流場循環(huán)的方法生成了脈動(dòng)風(fēng)場，并對(duì)鈍體平面屋蓋的結(jié)構(gòu)風(fēng)壓進(jìn)行了模擬，這種脈動(dòng)風(fēng)場生成方法的不足之處是需要生成匹配的數(shù)據(jù)庫，會(huì)消耗巨大的內(nèi)存和計(jì)算時(shí)間.序列合成法的另一種儲(chǔ)存形式是用空間序列儲(chǔ)存，Chung[4]利用泰勒方法協(xié)調(diào)了預(yù)前模擬方法兩個(gè)計(jì)算域之間的離散差異性，對(duì)槽道流進(jìn)行了模擬，運(yùn)用該方法的缺點(diǎn)是不同時(shí)刻的速度不能嚴(yán)格的由泰勒級(jí)數(shù)展開來獲取，因此插值的效果不佳.第二類方法為渦方法，針對(duì)渦方法的研究，Mathey等[5]人用一系列的二維隨機(jī)漩渦加載到平均風(fēng)場中去從而得到脈動(dòng)風(fēng)場，這種方法生成的脈動(dòng)風(fēng)場雖然具有較好的空間相關(guān)性和湍動(dòng)能信息，但不足之處是目標(biāo)風(fēng)場很難滿足風(fēng)場各向異性目標(biāo)譜的要求.第三類方法為序列合成法，序列合成法是運(yùn)用傅里葉變換的方法來生成脈動(dòng)風(fēng)速時(shí)程.2002年Hanna等[6]人提出了一種簡單的各向異性湍流脈動(dòng)生成方法，生成了隨機(jī)正態(tài)序列數(shù)，它是假設(shè)在順風(fēng)方向和垂直方向的脈動(dòng)均方根和平均速度有不同的比例，然后通過加權(quán)得到脈動(dòng)信息，這種方法的不足是缺少了雷諾應(yīng)力信息，同時(shí)湍流也會(huì)很快衰減.此后，2006年，Kondo[7]等提出了動(dòng)態(tài)湍流輸出方法，但這種方法不能滿足目標(biāo)譜的需求.2008年，Xie和Castro[8]用雷諾應(yīng)力的垂向分布構(gòu)造出了脈動(dòng)速度分量，得到的脈動(dòng)量滿足湍流的基本特性并具有雷諾應(yīng)力信息，但是生成的湍流在入口處并不滿足連續(xù)性的需求，需要經(jīng)過很長時(shí)間的發(fā)展才能形成真正的湍流.后來，Hemon and Santi[9],Huang等[10-11]也針對(duì)大渦模擬的入口脈動(dòng)邊界做出了相關(guān)研究，得到了不錯(cuò)的計(jì)算結(jié)果.

本文借助于經(jīng)典的諧波合成方法，在充分考慮湍流的平均風(fēng)剖面、目標(biāo)譜、空間相關(guān)性等指標(biāo)下，合成一系列的隨機(jī)序列時(shí)程數(shù)據(jù)，把生成的時(shí)程數(shù)據(jù)與大渦模擬的入口建立對(duì)應(yīng)關(guān)系，基于對(duì)FLUENT軟件平臺(tái)進(jìn)行二次開發(fā)，把生成的隨機(jī)序列數(shù)賦給大渦模擬的入口邊界，從而生成入口脈動(dòng)信息.最后通過對(duì)比數(shù)值模型和風(fēng)洞試驗(yàn)結(jié)果發(fā)現(xiàn)：基于諧波合成的脈動(dòng)信息生成方法能滿足大渦模擬入口邊界的要求，其優(yōu)勢在于目標(biāo)譜及相關(guān)性參數(shù)能根據(jù)不同情況的需要進(jìn)行隨意調(diào)整，合成的時(shí)程數(shù)據(jù)可直接賦給入口邊界，生成速度快，模擬時(shí)間長短可以隨意控制，模擬的點(diǎn)都相互獨(dú)立，可以很好地進(jìn)行并行計(jì)算，大大提高計(jì)算效率.

1 數(shù)值模擬理論與方法

1.1 大渦模擬

(1)

式中:D為流動(dòng)區(qū)域，x'為實(shí)際流動(dòng)區(qū)域里面的空間坐標(biāo)，x是過濾后的大尺度空間坐標(biāo)，G(x,x')是過濾函數(shù)[13]，表達(dá)式為：

(2)

式中：V是控制體積所占幾何空間的大小，過濾后瞬態(tài)下的空間N-S方程可表示為：

(3a)

(3b)

上式為動(dòng)量守恒方程和質(zhì)量守恒方程，其中帶橫線上標(biāo)的量表示過濾后的可解尺度量，τij為亞格子尺度應(yīng)力，具體表達(dá)式為：

(4)

為了封閉方程(3)，本文采用Smagorinsky亞格子模型，假定SGS應(yīng)力形式為：

(5)

在求解方面，本文的N-S方程采用建立在交錯(cuò)網(wǎng)格上的SIMPLE方法進(jìn)行求解，對(duì)流項(xiàng)和擴(kuò)散項(xiàng)均采用二階中心差分格式，時(shí)間導(dǎo)數(shù)采用二階半隱式離散方法，用超松弛方法(SOR)求解壓力Poisson方程，壓力和動(dòng)量松弛因子分別取0.3和0.7.

1.2 隨機(jī)序列合成

(6)

式中：H(ω)為下三角矩陣；對(duì)角項(xiàng)為ω的實(shí)非負(fù)函數(shù)，非對(duì)角項(xiàng)通常為ω的復(fù)函數(shù).

(7)

(8)

脈動(dòng)風(fēng)速的合成還需考慮平均風(fēng)、功率譜、相關(guān)性和時(shí)間步長的影響.入口風(fēng)速時(shí)程的平均速度采用指數(shù)率風(fēng)剖面公式:

(9)

本文脈動(dòng)風(fēng)功率譜采用我國規(guī)范采用的Kaimal譜，其表達(dá)式為：

(10)

本文空間互相關(guān)性采用Davenport給定的經(jīng)驗(yàn)公式[16]，如下所示：

(11)

(12)

式中：Sii和Sjj分別為i,j兩點(diǎn)的自譜密度函數(shù).本文對(duì)隨機(jī)序列數(shù)合成、UDF導(dǎo)入和大渦模擬3個(gè)過程采用了相同的時(shí)間步.在隨機(jī)序列數(shù)合成過程中，為了防止頻率的失真，時(shí)間步ΔT應(yīng)該滿足：

(13)

在UDF時(shí)程數(shù)據(jù)對(duì)接上，要保持計(jì)算步的統(tǒng)一，而在大渦模擬過程中，計(jì)算步長[17]應(yīng)滿足庫朗數(shù)(CFL)要求，可表示為：

(14)

式中：U為風(fēng)速；Δx為網(wǎng)格尺寸；ΔT為時(shí)間步長，為同時(shí)滿足三方面的要求，時(shí)間步長取0.002 5 s.

在充分考慮脈動(dòng)風(fēng)場的平均速度、功率譜、相關(guān)性、時(shí)間步長等參數(shù)后，基于諧波合成理論，用MATLAB對(duì)風(fēng)速時(shí)程數(shù)據(jù)進(jìn)行合成，生成滿足目標(biāo)風(fēng)場的隨機(jī)序列數(shù).然后將生成的隨機(jī)序列數(shù)與入口網(wǎng)格在時(shí)間和空間上建立對(duì)應(yīng)關(guān)系，時(shí)間上要滿足時(shí)間步長的一致，保證諧波合成風(fēng)速與大渦模擬風(fēng)速在時(shí)間上的同步.空間上要對(duì)入口網(wǎng)格坐標(biāo)進(jìn)行嚴(yán)格控制，將模擬點(diǎn)的速度時(shí)程賦給對(duì)應(yīng)的入口網(wǎng)格中心點(diǎn)，整個(gè)過程用UDF程序編制，對(duì)FLUENT軟件用戶自定義模塊進(jìn)行加載，重新定義入口速度，從而實(shí)現(xiàn)大渦模擬入口脈動(dòng)信息的輸入.

2 大渦模擬入口脈動(dòng)風(fēng)場特性分析

為驗(yàn)證本文入口處脈動(dòng)信息輸入的正確性，建立了一空風(fēng)洞數(shù)值模型，里面沒有任何障礙物，具體尺寸為15 m×2.5 m×3.0 m (x×y×z)，總網(wǎng)格數(shù)為180萬.入口平均風(fēng)采用指數(shù)率風(fēng)剖面形式，α值為0.16，取基準(zhǔn)風(fēng)速為20 m/s，地表粗糙高度為0.05 m.入口脈動(dòng)量由MATLAB程序模擬生成，然后通過UDF程序?qū)⑦@些時(shí)程數(shù)據(jù)賦給入口邊界網(wǎng)格，待計(jì)算穩(wěn)定后提取模型入口0.5 m和1 m高度處的風(fēng)速時(shí)程并與輸入的諧波合成法生成的數(shù)據(jù)序列對(duì)比，如圖1～2所示.

時(shí)間/s

時(shí)間/s

由圖1～2可以看出，模型入口監(jiān)測值與輸入的諧波合成法生成的數(shù)據(jù)序列基本一致，說明了入口邊界風(fēng)速時(shí)程輸入方法的正確性.為了驗(yàn)證入口邊界功率譜的正確性，將數(shù)值模型入口1 m高度處順風(fēng)方向功率譜模擬值與我國規(guī)范進(jìn)行對(duì)比，如圖3所示.

頻率/(rad·s-1)(對(duì)數(shù)坐標(biāo))

從圖3可以看出，功率譜能較好的與我國規(guī)范采用的Kaimal譜吻合，滿足脈動(dòng)風(fēng)場特性要求.

對(duì)流場入口中心0.5 m和1 m高度處的速度時(shí)程數(shù)據(jù)進(jìn)行相關(guān)性分析，定義兩點(diǎn)分別為A和B.圖4給出了入口監(jiān)測點(diǎn)A和B的互相關(guān)性和B點(diǎn)的自相關(guān)性檢驗(yàn)結(jié)果，圖4(a)中目標(biāo)值由公式(11)給出.

時(shí)間/s

時(shí)間/s

圖4表明了入口處脈動(dòng)風(fēng)場相關(guān)性呈指數(shù)率衰減，模擬值與理論目標(biāo)值衰減趨勢一致，體現(xiàn)出了模擬風(fēng)場在入口處具有良好的相關(guān)性.

通過對(duì)上述平均風(fēng)速、功率譜、相關(guān)性等參數(shù)進(jìn)行分析，發(fā)現(xiàn)基于諧波合成法生成的脈動(dòng)風(fēng)場滿足湍流的基本特性，可以在大渦模擬的入口進(jìn)行無縫對(duì)接.

3 數(shù)值模型

為驗(yàn)證數(shù)值模型內(nèi)部風(fēng)場正確性，以TJ-2風(fēng)洞試驗(yàn)數(shù)據(jù)[18]為參照對(duì)象，建立了兩個(gè)數(shù)值模型，一為沒有任何障礙物的空風(fēng)洞，與第二節(jié)所用空風(fēng)洞驗(yàn)證模型為同一計(jì)算模型，利用上節(jié)所提出的諧波合成方法來生成入口脈動(dòng)信息，簡稱為“空風(fēng)洞數(shù)值模型”；二為與風(fēng)洞試驗(yàn)條件一致的“尖劈粗糙元數(shù)值模型”.下面分別對(duì)兩種模型的尺寸，網(wǎng)格數(shù)量，計(jì)算參數(shù)與邊界條件進(jìn)行介紹.

3.1 模型尺寸與網(wǎng)格數(shù)量

3.1.1 空風(fēng)洞數(shù)值模型

TJ-2風(fēng)洞具體尺寸為15 m×2.5 m×3.0 m (長×高×寬)，空風(fēng)洞數(shù)值模擬采用與物理風(fēng)洞一致的模型尺寸，為保證計(jì)算精度，采用全六面體網(wǎng)格，并對(duì)總網(wǎng)格數(shù)為90萬、180萬、400萬3種網(wǎng)格進(jìn)行了網(wǎng)格無關(guān)性測試，權(quán)衡計(jì)算資源和計(jì)算精度后，選取了180萬網(wǎng)格數(shù)模型作為最終計(jì)算模型，網(wǎng)格在模型底部進(jìn)行加密，增長因子為1.1，最底層網(wǎng)格高度為0.01 m，具體網(wǎng)格如圖5所示.

圖5 空風(fēng)洞數(shù)值模型網(wǎng)格示意圖

3.1.2 尖劈粗糙元數(shù)值模型

尖劈粗糙元數(shù)值模型與物理風(fēng)洞試驗(yàn)條件保持一致，布置如圖6所示.與上一節(jié)類似，為保證精度，對(duì)尖劈粗糙元數(shù)值模型進(jìn)行全場六面體網(wǎng)格劃分，并對(duì)260萬，450萬，800萬3種網(wǎng)格進(jìn)行了網(wǎng)格無關(guān)性測試，無關(guān)性測試結(jié)果如表1所示.

通過比較模型內(nèi)部測量中心處湍流度發(fā)現(xiàn)260萬網(wǎng)格數(shù)模型較450萬和800萬的偏差較大，但450萬和800萬網(wǎng)格數(shù)的計(jì)算結(jié)果偏差幅度很小，權(quán)衡計(jì)算精度和計(jì)算資源的影響后，最終選取了450萬網(wǎng)格數(shù)作為最終計(jì)算網(wǎng)格.整個(gè)網(wǎng)格在底部進(jìn)行加密，最底層網(wǎng)格高度為0.005 m，延伸率為1.1，網(wǎng)格如圖7所示.計(jì)算過程中，對(duì)空風(fēng)洞數(shù)值模型和尖劈粗糙元數(shù)值模型的“預(yù)定模型中心”位置進(jìn)行風(fēng)速監(jiān)測，具體位置如圖6所示.

表1 網(wǎng)格無關(guān)性檢驗(yàn)

Tab．1 Test of the grid dependence

網(wǎng)格數(shù)量260萬450萬800萬湍流度9.9%12.42%12.49%

圖6 尖劈粗糙元模型尺寸示意圖

圖7 尖劈粗糙元數(shù)值模型網(wǎng)格示意圖

3.2 邊界條件設(shè)置

空風(fēng)洞數(shù)值模型的入口條件是基于對(duì)FLUENT軟件平臺(tái)進(jìn)行二次開發(fā)，將生成的隨機(jī)序列數(shù)賦給入口邊界；而尖劈粗糙元數(shù)值模型則采用平均風(fēng)作為入口邊界，詳細(xì)邊界條件與計(jì)算參數(shù)如表2所示.

4 計(jì)算結(jié)果

空風(fēng)洞數(shù)值模型采用超線程12核工作站進(jìn)行計(jì)算，模擬150 s時(shí)長(60 000步)需耗時(shí)60 h，其計(jì)算結(jié)果如圖8(a)所示.尖劈粗糙元模型同樣采用超線程工作站進(jìn)行計(jì)算，模擬同樣時(shí)長需耗時(shí)124 h，計(jì)算結(jié)果如圖8(b)所示.

表2 計(jì)算參數(shù)與邊界條件

Tab．2 Computational parameters and boundary conditions

計(jì)算參數(shù)空風(fēng)洞模型尖劈粗糙元模型湍流模型大渦模擬大渦模擬網(wǎng)格類型六面體結(jié)構(gòu)網(wǎng)格六面體結(jié)構(gòu)網(wǎng)格入口邊界UDF導(dǎo)入的隨機(jī)序列數(shù)均勻來流,U=20m/s計(jì)算域側(cè)面對(duì)稱邊界對(duì)稱邊界計(jì)算域頂面自由滑移自由滑移計(jì)算域底面無滑移固壁無滑移固壁尖劈粗糙元表面無滑移固壁無滑移固壁

(a) 空風(fēng)洞數(shù)值模型計(jì)算云圖

(b)尖劈粗糙元數(shù)值模型計(jì)算云圖

通過對(duì) “預(yù)定模型中心”不同高度處的風(fēng)速監(jiān)測，得到監(jiān)測中心處的平均風(fēng)剖面與湍流度信息，對(duì)其無量綱處理并與風(fēng)洞試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行對(duì)比，其結(jié)果如下圖所示.通過比較圖9和圖10發(fā)現(xiàn)，在風(fēng)剖面和湍流度方面，兩種數(shù)值模型相對(duì)風(fēng)洞試驗(yàn)值的偏差均較小，能滿足工程精度需要，也再一次證明了諧波合成方法生成脈動(dòng)風(fēng)場的正確性.用最小二乘法對(duì)空風(fēng)洞模型風(fēng)剖面進(jìn)行指數(shù)率擬合，得到α指數(shù)為0.161，非常接近風(fēng)洞試驗(yàn)的擬合值0.162，也接近于我國規(guī)范給出的B類風(fēng)場特性.

相對(duì)風(fēng)速U/Ur

湍流度Iu

對(duì)“預(yù)定模型中心處”1 m高度處的時(shí)程數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，得到空風(fēng)洞模型和尖劈粗糙元模型的順風(fēng)方向功率譜，將其進(jìn)行擬合并與Kaimal譜進(jìn)行對(duì)比，如圖11所示.

頻率/Hz

通過對(duì)兩種方法同一監(jiān)測點(diǎn)順風(fēng)方向功率譜與Kaimal譜進(jìn)行對(duì)比發(fā)現(xiàn)，數(shù)值模擬結(jié)果與風(fēng)洞試驗(yàn)的風(fēng)速功率譜在低頻段(頻率<1)吻合較好，但在高頻段(頻率>1)出現(xiàn)陡降，而工程領(lǐng)域最為關(guān)心的頻率出現(xiàn)在慣性子區(qū)(0.2<頻率<1)，本文兩種數(shù)值模擬方法均能較好的捕捉該區(qū)域的風(fēng)譜，因此所生成的脈動(dòng)風(fēng)能較好的滿足工程需要.目前，數(shù)值模擬的風(fēng)速時(shí)程普遍存在風(fēng)譜高頻段衰減現(xiàn)象，是由于高頻段代表風(fēng)場中小渦的能量貢獻(xiàn)，而LES中小尺度渦是用亞格子模型進(jìn)行封閉，不能直接對(duì)小尺度渦進(jìn)行求解，因此數(shù)值模擬不能捕捉到脈動(dòng)風(fēng)場的高頻段風(fēng)譜，通過改進(jìn)湍流模型和加密網(wǎng)格數(shù)量可以改善風(fēng)譜高頻衰減問題.

在計(jì)算效率方面，將兩種數(shù)值模型所需的網(wǎng)格數(shù)和耗時(shí)量作出對(duì)比，如表3所示.

表3 計(jì)算效率對(duì)比

Tab．3 Efficiency of the computational

模型網(wǎng)格數(shù)/萬計(jì)算時(shí)間/h空風(fēng)洞模型18060尖劈粗糙元模型450124

由表3可以發(fā)現(xiàn)，在達(dá)到允許精度要求下，空風(fēng)洞模型所需的網(wǎng)格數(shù)不到尖劈粗糙元模型的一半，計(jì)算耗時(shí)量方面也遠(yuǎn)遠(yuǎn)優(yōu)于尖劈粗糙元模型.

此外，空風(fēng)洞數(shù)值模型具有更好的適應(yīng)性，特別是對(duì)不同脈動(dòng)風(fēng)場的模擬，空風(fēng)洞模型只需對(duì)目標(biāo)風(fēng)場的特性參數(shù)進(jìn)行調(diào)整，操作簡單方便，可調(diào)性強(qiáng).而尖劈粗糙元數(shù)值模型只能通過不斷調(diào)整尖劈粗糙元的位置和數(shù)量來對(duì)目標(biāo)風(fēng)場進(jìn)行試算，計(jì)算工作量大，消耗時(shí)間長.

5 結(jié) 論

本文基于諧波合成方法生成了隨機(jī)序列數(shù)，通過對(duì)商業(yè)軟件FLUENT進(jìn)行二次開發(fā)，利用UDF程序把時(shí)程數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)化成大渦模擬的入口脈動(dòng)信息，同時(shí)建立了與物理風(fēng)洞試驗(yàn)條件一致的尖劈粗糙元數(shù)值模型，通過對(duì)比研究得到了以下成果和結(jié)論.

1)實(shí)現(xiàn)了隨機(jī)序列數(shù)在大渦模擬入口處的無縫對(duì)接，開發(fā)了大渦模擬入口脈動(dòng)速度輸入模塊，可以很好地進(jìn)行并行計(jì)算，解決了大渦模擬入口處湍流信息給定問題.

2)通過比較平均風(fēng)剖面、湍流度和功率譜等結(jié)果發(fā)現(xiàn)：基于諧波合成方法生成的大渦模擬脈動(dòng)風(fēng)場具有較高的精度，能滿足工程需要，但風(fēng)速功率譜在高頻段會(huì)出現(xiàn)衰減現(xiàn)象.

3)通過對(duì)比空風(fēng)洞數(shù)值模型和尖劈粗糙元模型的計(jì)算效率發(fā)現(xiàn)，空風(fēng)洞數(shù)值模型在網(wǎng)格數(shù)量和計(jì)算耗時(shí)方面均要遠(yuǎn)遠(yuǎn)優(yōu)于尖劈粗糙元數(shù)值模型.

4)相比尖劈粗糙元數(shù)值模型，基于諧波合成脈動(dòng)生成方法對(duì)不同風(fēng)場模擬只需調(diào)整風(fēng)場特性參數(shù)，操作方便，模擬速度快，是一種極具前景的脈動(dòng)生成方法，也可為大渦模擬入口處脈動(dòng)生成方法精細(xì)化研究提供參考.

基于諧波合成法的脈動(dòng)風(fēng)場生成方法是譜合成方法的一種拓展，擁有許多優(yōu)點(diǎn)的同時(shí)也存在一些不足，如生成的隨機(jī)風(fēng)速時(shí)程不滿足N-S方程的連續(xù)性，風(fēng)譜高頻衰減等問題還有待進(jìn)一步解決.

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Research on Generating Method of Fluctuating Wind Field of LES Based on WAWS

SHEN Lian1，HAN Yan1?, CAI Chun-sheng1, 2, DONG Guo-chao1

(1. School of Civil Engineering and Architecture，Changsha Univ of Science Technology，Changsha,Hunan 410114，China; 2.Department of Civil and Environmental Engineering，Louisiana State Univ，Baton Rouge，USA，LA 70803)

In order to accurately simulate the inlet boundary conditions of turbulence information of Large Eddy Simulation (LES), the fluctuating time-history data satisfying the target wind field were simulated with the weighted amplitude wave superposition (WAWS) considering the integral scale, power spectrum, turbulence intensity and wind velocity profile. The fluctuating time-history data were given to the inlet boundary of LES by the secondary development of the commercial software FLUENT. Consequently, the fluctuating information of the Large Eddy Simulation was obtained. The two numerical models were established on the basis of the experiment data in the wind tunnel. The first was the flow field without any obstacles in which the fluctuating time-history data simulated by WAWS method were the inlet boundary condition. The second was the flow field with spires and roughness element model in accordance with those in the wind tunnel, in which the mean wind velocity was given to the inlet boundary and the wind turbulences were generated by the spires and roughness elements. The results show that fluctuating wind field based on the WAWS method can be the inlet boundary for the LES and provides a reference for the investigation of the inlet boundary conditions of LES.

Large Eddy Simulation；weighted amplitude wave superposition；numerical simulation；fluctuating wind field

2014-11-11

國家重點(diǎn)基礎(chǔ)研究計(jì)劃(973計(jì)劃)(2015CB057700)；國家自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目(51408061，51178066，51278069)，National Natural Science Foundation of China(51408061，51178066，51278069) ；交通部西部交通科技項(xiàng)目重大科技專項(xiàng)資助項(xiàng)目(2011318824140)；長沙理工大學(xué)橋梁工程安全控制省部共建教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室開放基金資助項(xiàng)目(12KB01)；湖南省研究生創(chuàng)新項(xiàng)目(CX2014B375)

沈 煉(1988-)，男，湖南岳陽人，長沙理工大學(xué)博士研究生

?通訊聯(lián)系人，E-mail:ce_hanyan@163.com

1674-2974(2015)11-0064-08

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