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【6h】

基于下击暴流的壁面射流大涡数值模拟

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雷暴天气时,强下沉气流冲击地面后向四周扩散引起的具有极大冲击性的近地面强风,即下击暴流。下击暴流已经在多个国家和地区对大量的工程结构造成了严重的破坏,特别是输电塔结构的倒塌,逐渐变成结构风工程领域的热点问题。下击暴流出口部分具有壁面射流的特征,因此壁面射流风场发展规律的研究对分析下击暴流有着重大的理论意义。
　　近年来,随着计算机性能的提高以及CFD数值模拟技术的发展,CFD数值模拟方法具有周期短、费用低、数据处理方便快捷等优点,已经逐渐成为研究下击暴流风场特征的主要方法。时均化的Reynolds平均法(RANS)是目前应用最广泛的湍流模拟方法,但是它无法得到风场的脉动特征,而且计算精度对湍流模型的依赖性太大。大涡数值模拟方法(LES)可以得到流场的脉动特性,而且兼顾了计算精度和效率,是一种比较有前途的模拟方法。本文将采用大涡模拟方法(LES)对壁面射流风场进行数值模拟,主要工作及结论如下:
　　①研究了大涡模拟中网格密度、时间步长和亚格子模型等参数选取对壁面射流模拟结果的影响,对Mclntyre所做的有协同流的壁面射流试验进行了数值建模,并对各参数设置了不同的工况进行对比,分析结果表明:对于壁面射流的LES数值模拟,亚格子模型取Smagorinsky模型,时间步长取为1×10-5s,网格满足y+在1左右时得到的结果较好。
　　②根据参数分析的结果,合理地选择参数,对Mclntyre所做的有协同流的壁面射流试验进行了LES数值模拟。数值模拟得到的平均风剖面分布与试验结果吻合较好;而雷诺应力的变化趋势与试验结果大体吻合,但数值偏大。
　　③壁面射流存在普遍的无量纲规律,为了验证这种无量纲特性,将LES数值模拟得到的结果进行归一化处理并与试验结果进行对比分析,结果表明:LES得到的不同位置的平均风剖面进行归一化处理后,相互之间吻合度较高;数值模拟得到的壁面射流速度峰值衰减以及速度峰值位置的变化等无量纲规律与试验结果吻合较好。
　　④研究了不考虑协同流时壁面射流的无量纲规律,在前面模型的基础上将协同流处改为固壁边界条件进行LES数值模拟。将数值模拟得到的平均速度分布进行归一化处理,得到的曲线和Eriksson提出的壁面射流平均风速的无量纲规律吻合的很好;并分析了壁面射流几个常用变量之间的无量纲关系,结果显示在10b-20b范围内数值模拟得到的结果与试验数据偏差较大,而在大于20b的范围内,模拟结果与通过大量试验总结得到的无量纲规律吻合很好。
　　⑤壁面粗糙度会明显改变壁面射流近壁面区域的规律,从而影响整个流场的规律。为了研究壁面粗糙度对壁面射流流场特征的影响,通过在计算域内设置按一定规律排列的长方体粗糙元的方式实现了对地面粗糙度的模拟,并对比了不同高度的粗糙元对流场平均风速分布和风速湍流度的影响,对比结果显示:粗糙元的设置对流场的风速有一定的阻碍作用,而且粗糙元高度越高,这种阻碍作用越明显;在近壁面区域粗糙元的设置会在一定程度上增大流场的风速湍流度。

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