基于标准如8模型的平衡大气边界层模拟-空气动力学学报.PDF

第z7卷第5期 空气动力学学报 V01．27．No．6 2009年12月 ACTAAERoDYNAMICASINICA Dec．，2009 文章编号：0258-1825(2009)06-0729--07 基于标准如8模型的平衡大气边界层模拟 张 建，杨庆山 (北京交通大学土建学院，北京 100044) 摘要：基于标准h模型和FLUENT软件，采用适当的平均风和湍流特征量入口条件。同时在壁面处采用修正壁 面函数边界条件，进行空流场的平衡大气边界层模拟．将流场中不同位置处的平均风廓线、湍动能及其粘性耗散 等流动特征量的廓线进行对比。结果表明．采用标准k-e模型结合修正壁面函数对气流．流经粗糙度相同的壁面时， 不同位置处流动特征量的廓线吻合程度均较高．研究提出对建筑绕流等同题模拟之前需进行空流场的平衡性进 行分析。另对文中尚未解决的问题进行讨论并提出解决思路。 关键词：计算风工程；平衡大气边界层，标准k-e模型，修正壁面函数 中图分类号：TU973．213文献标识码：A 真实大气边界层中不同条件下的流场特性成为可能。 0引言 计算风工程是研究建筑结构风荷载分布、建筑周 围流场特性以及风环境的学科，大多数建筑结构处于 风工程是研究大气边界层内的风环境与地球表 城市冠层内，其属于低速、不可压缩粘性流体的湍流 面的人类活动及建筑物之间相互作用的学科。包括 运动，雷诺数可达1×105～1×106数量级【2】。另外， 大气边界层内的风特性、建筑物的风荷载和结构响 近地风在很薄的近地层内由速度为零的粘性子层区 应、大跨度桥梁的风致振动、汽车和高速列车的空气 迅速发展到非常复杂的冠层湍流区，因此对大气边界 动力问题等等。风荷载对结构的安全性、污染物扩散 层问题的数值模拟，特别是对城市冠层内，必须采用 及行人舒适度的影响等大气边界层风工程问题亦逐 渐引起人们的重视。 精细网格进行解析【3】。 20世纪60年代末，风洞实验技术逐步开始从航 1水平均匀边界层自保持特性研究简述 空领域扩展到土木工程中，但风洞实验方法存在其局 限性，如：无法模拟温度层结条件下大气边界层的流 若想得到精确的建筑结构风荷载分布情况，必须 动情况；对冲击产生的涡旋流动以及其它特殊的涡旋 对其所处的大气边界层，尤其是城市冠层，进行合理 流动难以捕捉；相似率不易满足等。 处理。构成合适的城市冠层模型的重要前提：气流流 计算流体动力学(CFD)自20世纪70年代诞生 经粗糙度一致的地表面时，要求满足水平均匀性 开始，给科学发展和工程设计带来了根本性的变化。 (horizontal CFD采用一系列非线性偏微分方程描述流动问题， 和来流等位置的流场特征量(包括平均风和湍流特征 通过给定合适的边界条件，在计算机上用数值方法进 量)沿水平方向的梯度变化为0，即流场特征量沿流 行求解。相对于传统风洞技术而言，CFD技术的优 动方向保持不变(如图1所示)。物理上，风工程研究 势在于耗时短、费用低廉。随着计算机硬件技术的迅 中需要模拟平衡边界层的要求：保证入口的平均流与 猛发展，先进的数值求解方法得以运