TJ-2風(fēng)洞大氣邊界層風(fēng)場(chǎng)數(shù)值模擬

雷文治，吉柏鋒

(武漢理工大學(xué)土木工程與建筑學(xué)院，湖北 武漢 430070)

0 前 言

結(jié)構(gòu)風(fēng)工程研究大多在大氣邊界層風(fēng)場(chǎng)中進(jìn)行，因此，在風(fēng)洞中再現(xiàn)大氣邊界層風(fēng)場(chǎng)是風(fēng)洞試驗(yàn)的前提。實(shí)際風(fēng)洞通常采用尖劈和粗糙元等被動(dòng)模擬裝置來(lái)形成湍流場(chǎng)，并且通過(guò)調(diào)整尖劈和粗糙元的尺寸、數(shù)量和布置等來(lái)調(diào)整湍流場(chǎng)以得到需要的風(fēng)場(chǎng)特性，各風(fēng)洞需要進(jìn)行大量標(biāo)定試驗(yàn)以確定風(fēng)洞被動(dòng)模擬裝置布置，往往耗費(fèi)大量人力、物力，且耗時(shí)較長(zhǎng)。采用數(shù)值模擬方法則可以創(chuàng)建特定風(fēng)洞的數(shù)值模型，精確再現(xiàn)風(fēng)洞被動(dòng)模擬裝置布置，通過(guò)模擬計(jì)算得到大氣邊界層風(fēng)場(chǎng)。Phuc等[1]創(chuàng)建了一個(gè)50 m長(zhǎng)的數(shù)值風(fēng)洞，包括尖劈、粗糙元和柵格。模擬得到的平均風(fēng)剖面、湍流度剖面和脈動(dòng)風(fēng)速功率譜密度均與風(fēng)洞試驗(yàn)結(jié)果吻合良好。采用該數(shù)值風(fēng)洞對(duì)退階模型進(jìn)行了模擬風(fēng)洞試驗(yàn)，模擬得到的壓力系數(shù)和局部壓力分布與風(fēng)洞試驗(yàn)結(jié)果吻合良好。J?rgensen等[2]同樣創(chuàng)建了風(fēng)洞的精確數(shù)值模型，對(duì)低位立方體周?chē)牧鲌?chǎng)進(jìn)行了風(fēng)洞試驗(yàn)和數(shù)值風(fēng)洞試驗(yàn)，模型表面風(fēng)壓的模擬結(jié)果與風(fēng)洞試驗(yàn)結(jié)果同樣吻合較好。本文創(chuàng)建了特定風(fēng)洞的全尺寸數(shù)值模型，提取模擬風(fēng)場(chǎng)的平均風(fēng)剖面和湍流強(qiáng)度剖面與風(fēng)洞標(biāo)定試驗(yàn)結(jié)果對(duì)比以驗(yàn)證數(shù)值風(fēng)洞方法的有效性。

1 數(shù)值模擬

1.1 計(jì)算模型1.1.1 幾何模型

選擇了國(guó)內(nèi)建成時(shí)間較早，穩(wěn)定運(yùn)行，流場(chǎng)品質(zhì)優(yōu)良的TJ-2號(hào)風(fēng)洞作為參考。同濟(jì)大學(xué)TJ-2號(hào)風(fēng)洞建于1996年，是一座中型建筑邊界層風(fēng)洞，其試驗(yàn)段全長(zhǎng)15 m，寬3 m，高2.5 m，風(fēng)速0.5～60 m/s可調(diào)。黃鵬等[3]進(jìn)行了風(fēng)洞標(biāo)定試驗(yàn)，通過(guò)在風(fēng)洞中組合布置尖劈、粗糙元和擋板這三種被動(dòng)模擬裝置得到了縮尺比為1 ∶500的符合各類(lèi)地貌特征的大氣邊界層風(fēng)場(chǎng)。本文選擇符合B類(lèi)地貌特征的風(fēng)洞布置作為數(shù)值模擬驗(yàn)證對(duì)象，B類(lèi)地貌大氣邊界層風(fēng)場(chǎng)通過(guò)尖劈和粗糙元組合布置的方式實(shí)現(xiàn)。尖劈的尺寸如圖1所示。

圖1 尖劈尺寸示意圖

粗糙元尺寸為75 mm×40 mm×60 mm，其迎風(fēng)面積為75×60 mm2。風(fēng)洞整體長(zhǎng)度為15 m，尖劈布置在距入口處2.2 m，共四個(gè)，間距660 mm，距風(fēng)洞側(cè)壁510 mm。粗糙元呈交錯(cuò)排布，首行布置在距入口2.5 m處，共5個(gè)，間距500 mm，距風(fēng)洞側(cè)壁500 mm，第2行布置在首行后1 m處，共4個(gè)，間距500 mm，距風(fēng)洞側(cè)壁500 mm，共布置8行。預(yù)定的模型中心位置在距入口11 m的風(fēng)洞中剖面處，具體風(fēng)洞布置如圖2所示。

圖2 風(fēng)洞布置示意圖

1.1.2 數(shù)值參數(shù)和邊界條件設(shè)置

基于standardk-ε兩方程模型對(duì)TJ-2全尺寸風(fēng)洞進(jìn)行三維穩(wěn)態(tài)雷諾平均方程求解。速度-壓力耦合采用SIMPLE算法，離散格式采用二階迎風(fēng)格式，松弛因子采用缺省設(shè)置。計(jì)算收斂準(zhǔn)則為：①殘差下降到10-6；②風(fēng)洞預(yù)定模型中心位置1.06 m高度處的風(fēng)速監(jiān)測(cè)點(diǎn)速度不發(fā)生變化。邊界條件的設(shè)置見(jiàn)表1。

表1 邊界條件

1.2 數(shù)值仿真結(jié)果

提取預(yù)定模型中心線(xiàn)位置的平均風(fēng)速湍動(dòng)能值，和同時(shí)按照風(fēng)洞試驗(yàn)處理方式將參考高度定為Zg=1.06 m，以該點(diǎn)風(fēng)速作為參考風(fēng)速作出無(wú)量綱化的平均風(fēng)速剖面。

ANSYS-Fluent商用計(jì)算平臺(tái)對(duì)湍流度的取值是基于大氣邊界層中湍流各向同性假設(shè)。實(shí)際考慮到大氣邊界層中湍流的各向異性，順風(fēng)向湍流大于豎向湍流和橫風(fēng)向湍流，通常以順風(fēng)向湍流度為參考，將豎向湍流及橫風(fēng)向湍流無(wú)量綱化。Crown[4]認(rèn)為橫風(fēng)向湍流為順風(fēng)向的75%，而豎向湍流度則是順風(fēng)向的50%，而鄧燕華[5]通過(guò)對(duì)不同地貌的風(fēng)洞試驗(yàn)研究給出了不同地貌下不同高度的三向湍流強(qiáng)度的比例關(guān)系。按照我國(guó)《公路橋梁抗風(fēng)設(shè)計(jì)規(guī)范》(JTG/T3360-01-2018)給出的三向湍流強(qiáng)度關(guān)系為：Iv=0.88Iu,Iw=0.5Iu。將上述關(guān)系式代入湍動(dòng)能的定義式可以得到順風(fēng)向湍流強(qiáng)度與湍動(dòng)能的關(guān)系式：

Iu=(1.01k)1/2/u(z)

(1)

將模擬結(jié)果中的湍動(dòng)能代入式(1)即可以得到模型中心位置的湍流強(qiáng)度剖面。

提取得到的平均風(fēng)剖面和湍流強(qiáng)度剖面如圖3所示。

由圖3可看出，數(shù)值模擬得到的平均風(fēng)速剖面和湍流強(qiáng)度剖面均與風(fēng)洞試驗(yàn)結(jié)果擬合較好。在相對(duì)高度0.4以下模擬結(jié)果的平均風(fēng)速較風(fēng)洞試驗(yàn)結(jié)果略小，湍流強(qiáng)度較風(fēng)洞試驗(yàn)結(jié)果略大。可能存在的原因有：①風(fēng)洞試驗(yàn)得到的數(shù)據(jù)均由實(shí)際測(cè)點(diǎn)測(cè)得，而在近地面位置難以沿高度布置多個(gè)測(cè)點(diǎn)，近地面流場(chǎng)特征存在一定的誤差；②數(shù)值風(fēng)洞對(duì)壁面粗糙程度的估計(jì)比實(shí)際風(fēng)洞要大，這樣導(dǎo)致平均風(fēng)速較實(shí)際風(fēng)洞小而湍流強(qiáng)度略大。當(dāng)然，數(shù)值模擬的結(jié)果與風(fēng)洞試驗(yàn)結(jié)果差異較小，通過(guò)數(shù)值風(fēng)洞方法生成大氣邊界層風(fēng)場(chǎng)是完全可行的。

(a)平均風(fēng)剖面

(b)湍流強(qiáng)度剖面圖3 模擬結(jié)果與風(fēng)洞試驗(yàn)結(jié)果對(duì)比

2 結(jié) 論

借助商用程序ANSYS-Fluent完成了幾何縮尺比為1 ∶500的TJ-2風(fēng)洞B類(lèi)地貌大氣邊界層風(fēng)場(chǎng)的數(shù)值模擬，模擬結(jié)果與物理試驗(yàn)結(jié)果整體吻合較好。通過(guò)對(duì)比發(fā)現(xiàn)，在相對(duì)高度0.4以下模擬結(jié)果的平均風(fēng)速較風(fēng)洞試驗(yàn)結(jié)果略小。這是因?yàn)橥牧鲝?qiáng)度較風(fēng)洞試驗(yàn)結(jié)果略大風(fēng)洞試驗(yàn)得到的數(shù)據(jù)均由實(shí)際測(cè)點(diǎn)測(cè)得，而在近地面位置難以沿高度布置多個(gè)測(cè)點(diǎn)，近地面流場(chǎng)特征存在一定的誤差。當(dāng)然，數(shù)值模擬的結(jié)果與風(fēng)洞試驗(yàn)結(jié)果差異較小，通過(guò)數(shù)值風(fēng)洞方法生成大氣邊界層風(fēng)場(chǎng)是完全可行的。

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