基于多尺度涡流合成法的无散度湍流生成方法及应用研究.pdfVIP

摘要

随着城市化进程的加速和高层建筑数量的增加，了解和预测建筑结构受风

荷载的影响变得至关重要。建筑结构的安全性和舒适性受风荷载的直接影响，

特别是在极端气候条件下。因此，对风荷载进行研究不仅可以提高建筑设计的

合理性和安全性，还能帮助减少不必要的经济损失。大涡模拟作为一种能够精

确模拟湍流流动的高精度数值模拟方法，在计算风工程中得到了广泛应用。在

进行大涡模拟时，准确地生成入口边界处的湍流是实现高精度模拟的关键。传

统的入口湍流生成方法往往只关注湍流特性模拟的准确性而忽视了无散度条件，

导致流场内的压力脉动过大或者湍流发展距离过长，模拟结果的准确度受限。

本研究提出一种基于多尺度涡流合成法（MSSEM）的无散度入口湍流生成方法，

旨在改善这一局限性。既保留MSSEM方法在湍流特性模拟方面的优势（尤其

是湍流积分尺度和功率谱），又兼顾一定的无散度条件，减小流场内的非物理压

力脉动，提高大涡模拟的模拟精度。本文以无散度的多尺度涡流合成法

（DFMSSEM）为核心，着重研究了以下几个方面：

（1）涡流合成法的无散度修正理论研究及特性分析。针对MSSEM方法不

满足无散度条件的特点，对入口平面的风时程数据进行了质量通量修正。以平

均风速的体积速度为目标，对瞬时速度进行简单的修正，以保证恒定的入口质

量通量，提出了无散度的多尺度涡流合成法。同时对不同边界条件、不同计算

域尺寸下的入口质量通量修正系数、壁面压力脉动、顺流向不同位置处的脉动

风压系数进行了比较分析，验证DFMSSEM方法减小压力脉动的有效性和不同

工况下的普适性。

（2）无散度的多尺度涡流合成法湍流特性研究。在确保无散度条件的同时，

不应该以牺牲湍流特性的准确性为代价。基于无散度改进减小压力脉动的前提

下，将大气边界层风洞试验的湍流特性作为参照，采用不同的入口湍流生成方

法进行大气边界层大涡模拟，验证DFMSSEM方法的湍流特性在入口平面的准

确性和在顺流向不同位置处的保持性。

（3）DFMSSEM方法在建筑绕流中的应用研究。在风洞试验的基础上，利

用三种不同的入口边界条件，对CAARC标准建筑模型进行了绕流数值模拟。

通过对比分析多个维度，包括表面风压系数、基底合力及合力矩功率谱、建筑

外部流场等，进一步验证了DFMSSEM方法的准确性。

关键词：大涡模拟；入口边界条件；多尺度涡流合成法；无散度；入口质量通

量修正；高层建筑

Abstract

Withtheaccelerationofurbanizationandtheincreaseinthenumberofhigh-rise

buildings,understandingandpredictingtheimpactofwindloadsonbuilding

structureshasbecomecrucial.Thesafetyandcomfortofbuildingstructuresare

directlyaffectedbywindloads,especiallyunderextremeweatherconditions.

Therefore,studyingwindloadscannotonlyimprovetherationalityandsafetyof

buildingdesign,butalsohelpreduceunnecessaryeconomiclosses.Largeeddy

simulation,asahigh-precisionnumericalsimulationmethodthatcanaccurately

simulateturbulentflow,hasgarneredwidespreadapplicationincomputationalwind

engineering.Accuratelygeneratingturbulenceattheinletboundaryiskeyto

achieving