TJ-2風洞大氣邊界層風場數(shù)值模擬

雷文治，吉柏鋒

(武漢理工大學土木工程與建筑學院，湖北 武漢 430070)

0 前 言

結(jié)構(gòu)風工程研究大多在大氣邊界層風場中進行，因此，在風洞中再現(xiàn)大氣邊界層風場是風洞試驗的前提。實際風洞通常采用尖劈和粗糙元等被動模擬裝置來形成湍流場，并且通過調(diào)整尖劈和粗糙元的尺寸、數(shù)量和布置等來調(diào)整湍流場以得到需要的風場特性，各風洞需要進行大量標定試驗以確定風洞被動模擬裝置布置，往往耗費大量人力、物力，且耗時較長。采用數(shù)值模擬方法則可以創(chuàng)建特定風洞的數(shù)值模型，精確再現(xiàn)風洞被動模擬裝置布置，通過模擬計算得到大氣邊界層風場。Phuc等[1]創(chuàng)建了一個50 m長的數(shù)值風洞，包括尖劈、粗糙元和柵格。模擬得到的平均風剖面、湍流度剖面和脈動風速功率譜密度均與風洞試驗結(jié)果吻合良好。采用該數(shù)值風洞對退階模型進行了模擬風洞試驗，模擬得到的壓力系數(shù)和局部壓力分布與風洞試驗結(jié)果吻合良好。J?rgensen等[2]同樣創(chuàng)建了風洞的精確數(shù)值模型，對低位立方體周圍湍流場進行了風洞試驗和數(shù)值風洞試驗，模型表面風壓的模擬結(jié)果與風洞試驗結(jié)果同樣吻合較好。本文創(chuàng)建了特定風洞的全尺寸數(shù)值模型，提取模擬風場的平均風剖面和湍流強度剖面與風洞標定試驗結(jié)果對比以驗證數(shù)值風洞方法的有效性。

1 數(shù)值模擬

1.1 計算模型1.1.1 幾何模型

選擇了國內(nèi)建成時間較早，穩(wěn)定運行，流場品質(zhì)優(yōu)良的TJ-2號風洞作為參考。同濟大學TJ-2號風洞建于1996年，是一座中型建筑邊界層風洞，其試驗段全長15 m，寬3 m，高2.5 m，風速0.5～60 m/s可調(diào)。黃鵬等[3]進行了風洞標定試驗，通過在風洞中組合布置尖劈、粗糙元和擋板這三種被動模擬裝置得到了縮尺比為1 ∶500的符合各類地貌特征的大氣邊界層風場。本文選擇符合B類地貌特征的風洞布置作為數(shù)值模擬驗證對象，B類地貌大氣邊界層風場通過尖劈和粗糙元組合布置的方式實現(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，其迎風面積為75×60 mm2。風洞整體長度為15 m，尖劈布置在距入口處2.2 m，共四個，間距660 mm，距風洞側(cè)壁510 mm。粗糙元呈交錯排布，首行布置在距入口2.5 m處，共5個，間距500 mm，距風洞側(cè)壁500 mm，第2行布置在首行后1 m處，共4個，間距500 mm，距風洞側(cè)壁500 mm，共布置8行。預定的模型中心位置在距入口11 m的風洞中剖面處，具體風洞布置如圖2所示。

圖2 風洞布置示意圖

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TJ-2全尺寸風洞進行三維穩(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格式，松弛因子采用缺省設(shè)置。計算收斂準則為：①殘差下降到10-6；②風洞預定模型中心位置1.06 m高度處的風速監(jiān)測點速度不發(fā)生變化。邊界條件的設(shè)置見表1。

表1 邊界條件

1.2 數(shù)值仿真結(jié)果

提取預定模型中心線位置的平均風速湍動能值，和同時按照風洞試驗處理方式將參考高度定為Zg=1.06 m，以該點風速作為參考風速作出無量綱化的平均風速剖面。

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

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

(1)

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

提取得到的平均風剖面和湍流強度剖面如圖3所示。

由圖3可看出，數(shù)值模擬得到的平均風速剖面和湍流強度剖面均與風洞試驗結(jié)果擬合較好。在相對高度0.4以下模擬結(jié)果的平均風速較風洞試驗結(jié)果略小，湍流強度較風洞試驗結(jié)果略大?？赡艽嬖诘脑蛴校孩亠L洞試驗得到的數(shù)據(jù)均由實際測點測得，而在近地面位置難以沿高度布置多個測點，近地面流場特征存在一定的誤差；②數(shù)值風洞對壁面粗糙程度的估計比實際風洞要大，這樣導致平均風速較實際風洞小而湍流強度略大。當然，數(shù)值模擬的結(jié)果與風洞試驗結(jié)果差異較小，通過數(shù)值風洞方法生成大氣邊界層風場是完全可行的。

(a)平均風剖面

(b)湍流強度剖面圖3 模擬結(jié)果與風洞試驗結(jié)果對比

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風洞B類地貌大氣邊界層風場的數(shù)值模擬，模擬結(jié)果與物理試驗結(jié)果整體吻合較好。通過對比發(fā)現(xiàn)，在相對高度0.4以下模擬結(jié)果的平均風速較風洞試驗結(jié)果略小。這是因為湍流強度較風洞試驗結(jié)果略大風洞試驗得到的數(shù)據(jù)均由實際測點測得，而在近地面位置難以沿高度布置多個測點，近地面流場特征存在一定的誤差。當然，數(shù)值模擬的結(jié)果與風洞試驗結(jié)果差異較小，通過數(shù)值風洞方法生成大氣邊界層風場是完全可行的。

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