基于Fluent平衡大气边界层流场模拟及应用

采用Fluent进行平衡大气边界层流场模拟,在地面边界引入气动粗糙壁面函数,上边界分别采用剪力驱动和速度驱动。首先对平坦区域进行流场模拟,然后基于模拟的流场对立方体建筑物表面风压分布进行了计算。结果表明:基于本文的边界条件设置方法,三种k-ε湍流模型均能获得良好的自保持性平衡大气边界层流场;在地面边界引入气动粗糙壁面函数,可实现任意类型的平衡大气边界层流场模拟,且对近地单元的高度无限制,有利于精细化网格计算;在上边界采用剪力驱动和速度驱动是等效的,采用速度驱动边界条件有利于提高计算效率;三种k-ε湍流模型计算的立方体中心面表面压力分布基本在测量值变化范围内,说明基于本文的平衡大气边界层流场可应用于结构风荷载数值模拟研究中。     

在1.4米航空风洞中模拟大气边界层

在风洞中正确模拟大气边界层的流动特性是风工程风洞试验结果可信的必要条件,本次试验研究的目的是在短试验段的航空风洞中建立大比例的大气边界层模拟流场。通过适当的方式延长1.4m×1.4m航空风洞的试验段长度,并利用尖塔、粗糙元等边界层发生装置,在该风洞中建立了边界层流场,测量了流场的平均风速剖面、湍流强度剖面、脉动风速的自相关系数、风谱等参数,讨论了湍流积分尺度的处理和大气边界层几何模拟比例的确定,用谱拟合法和自相关系数积分法求出了湍流积分尺度。结果分析表明:试验所得流场是合理的大气边界层模拟流场,其平均风速剖面幂指数α=0.3,大气边界层模拟比例为1∶500,为后续的建筑物模型动态风荷载试验提供了前提条件。     

可侵蚀地表上方含尘大气运动的数值模型

在稀相气固两相流的双流体模型框架下，导出含尘大气运动的基本方程，其中的源项考虑相间双向耦合作用；通过对基本方程进行无量纲化，求得控制气相和弥散相动力学行为的相似准则，包括弗洛德数、罗斯贝数、颗粒雷诺数、颗粒惯性参数、颗粒剪切横移参数、颗粒旋转横移参数和沙尘质量载荷率等. 作为一个模型问题，研究可侵蚀地表上方充分发展湍流大气边界层流动对土壤颗粒的气动卷扬作用，其中计及气动阻力、萨弗曼升力和重力等因素的影响. 为了克服由于沙尘跃移运动轨迹交叉导致流动参数多值性所造成的困难，引进拉格朗日坐标下弥散相连续方程. 对两种不同风速和4种不同粒径条件下的沙尘运动进行数值模拟，给出相应情况中沙尘运动特性和密度分布剖面并讨论风速和粒径等参数的影响，还细致分析了含尘大气边界层中沙尘与气流之间的能量传递过程. 所得的方程、准则和方法可以为土壤风蚀和沙尘暴等自然灾害的预报提供理论基础.     

稳定大气条件下爆炸烟云的数值模拟研究

为了研究爆炸及燃烧产生的"蘑菇"状烟云,采用中尺度气象模式RAMS(regional atmosphericmodeling system)模拟研究了冲击波过后的爆炸烟云运动过程.流场和涡度场结果显示,对于稳定层结大气条件,爆炸烟云在浮力作用下会形成浮力涡环结构;烟云在到达最大高度以后,形成了环套环的多涡结构.通过模拟不同爆炸当量和不同大气稳定度的烟云上升最大高度,得到了与目前常用的爆炸烟云上升公式一致的形式.     

复杂大气入流下海上风机力学特性研究

随着风能技术的不断进步, 风机叶片逐渐向大型化发展, 这使得真实复杂大气入流对风机运行性能的影响愈发显著. 为研究真实复杂大气入流下海上风机的力学特性响应, 利用基于大涡模拟的域前模拟方法生成复杂大气入流, 并结合致动线模型模拟风机叶片, 对中性复杂大气入流下海上固定式风机进行数值模拟, 重点分析风机的气动性能及转子和叶片根部的力学特性, 并与均匀入流计算工况进行对比. 计算结果表明, 中性复杂大气入流中的大尺度低速气流团使得风机气动功率输出值在较长一段时间处于较低水平, 此外, 中性复杂大气入流的高湍流强度特征使得风机气动功率的变化幅值和标准差较均匀入流工况大幅增加; 风机轴向推力的标准差值增加到均匀入流的53倍, 中性复杂大气入流的来流流场扰动引起偏航力矩的最大值、均方根和标准差分别增加到均匀入流的10、4.4和4.3倍; 速度垂向分布的不均匀性以及轮毂高度附近的大尺度低速羽流结构导致摆振剪力和弯矩的标准差响应值分别为均匀入流的2倍和4.6倍.      

大气边界层模拟的湍流相似

大气边界层的风洞模拟,是目前研究建筑物风载,污染质的大气扩散,以及解决某些环境科学和军事科学中大型课题的重要手段之一。在许多国家,风洞模拟已成为环境部门设计大型工程、林区、厂区和城区规划的主要依据。最初的大气边界层模拟装置,仅考虑形成一定的平均风速廓线,并未考虑到气流的湍流特性。微气象学的研究表明,大气的湍流特性是影响扩散的主要因素。特别是Monin和Obukhov通过大量实测资料提出大气表面层中的相似性理论,成为研究大气扩散的重要依据。从50年代开始,一些研究大气扩散和建筑物风载问题的长实验段风洞相继筹划和建立。其中较著名的有,美国科罗拉多州立大学的1.8米×1.8米×30米的回流式长实验段气     

动压载荷下受限纳米水膜流动特性的分子动力学仿真研究

利用分子动力学模拟方法探究了外加载荷作用下纳米尺度受限水膜的流动特性.仿真结果表明:受限空间内的水膜随着载荷的增加,其出现分层现象和黏度增加,当黏度超过一个临界值后,在分层和黏度增加共同作用下,水膜的流动状态将由层流和湍流的混合状态过渡到单一的层流状态.同时,随着受限空间壁面的切向运动,受限水膜均会出现边界滑移现象,且随着载荷的增加,滑移现象越发显著.但当水膜单一层流状态形成后,受限空间壁面的滑移速度,对水膜的边界滑移长度影响并不显著.     

城市和工业区大气环境评估与流动实验--风环境模拟研究之二

借用实验流体力学分层流实验技术，采用均匀的水模拟中性大气，表示大气随高度没有变化，再用盐水进行密度分层来模拟大气温度随高度变化的稳定层结大气，丰富了大气环境的实验研究手段，本介绍用水来模拟大气的相似理论和实验研究方法，针对北京市地形对城市大气环境影响变化，来解释和说明首都在解决城市环境污染治理上应该关注的问题。同时结合福建省某核电厂厂址地区受地形影响，分析在厂运行期间排出的放射性气载释放物的大气输运和扩散影响，以及提供突发性污染事故应急预警方案，采用现场实测、水槽模拟和数值计算等3种手段，开展研究并取得成功、     

土壤-植物-大气连续体水分传输动力学及其应用

本文根据作者的研究成果介绍土壤-植物-大气连续体(SPAC)中的势场与水势分布、水流阻力与水容的组成和量级,SPAC 中的水流通量计算,SPAC 中水分传输动力学模拟模型及 SPAC 水分传输动力学在农田节水灌溉和田间水量转化与水量平衡研究中的应用等问题.     

冲击风稳态流场CFD模拟及三维风速经验模型研究

建筑结构抗风设计中相当多地区的设计风速,往往参考当地气象观测到的雷暴冲击风的最大风速值,但雷暴冲击风的风场与目前抗风设计采用的大气边界层流场相差悬殊,使得设计风速与设计风场并不匹配.本文将在CFD计算结果与已有文献资料进行比较以验证CFD计算模型及参数准确性的基础上,进行了风场特性的全面研究,主要通过改变冲击风描述参数,来研究雷暴冲击风水平风速及竖向风速的分布特性变化情况,研究成果较为完整的描述了冲击风风场特性.最后提出了用于结构抗风设计的水平风速及竖向风速经验模型,较为简明地反映了雷暴冲击风三维风速的空间分布情况,并得到了CFD模拟、实测以及试验结果的验证.该经验模型为雷暴冲击风下的抗风设计计算提供了理论基础.     

低湍流度风洞中湍流度对平板边界层转捩影响的试验研究

本文报告了在西北工业大学壁低流度风洞中进行了平板边界层转捩试验研究的简况及初步结果，试验湍流度为０．０２％、０．１％及０．３３％，用恒温热线风速仪测量时均速度型，求得边界层沿流向的位移厚度分布，并用示波器观察速度脉动脉形变化，从而确定起始转捩点和完全转捩点位置。结果表明，转捩的规律性和国外经典结果极为吻合。     

Numerical Modeling of the Development of a Streaky Structure in a Boundary Layer at a High Freestream Turbulence Level

The disturbances generated by external turbulence in the boundary layer on a flat plate set suddenly in motion are determined. A turbulent flow calculated by direct numerical simulation is taken as the initial conditions. The solution obtained simulates the initial stage of laminar-turbulent transition in the flat-plate boundary layer at a high turbulence level in the oncoming flow. The solution makes it possible to estimate the effects of different factors, such as nonstationarity, nonlinearity, and the parameters of the freestream velocity fluctuation spectrum, on disturbance enhancement in the boundary layer.     

Numerical modeling of laminar-turbulent transition in a boundary layer at a high freestream turbulence level

Disturbances generated by external turbulence in the boundary layer on a flat plate set suddenly in motion are determined by numerically solving the Navier-Stokes equations. The results of direct numerical simulation of isotropic homogenous turbulence are taken as initial conditions. The solution obtained models laminar-turbulent transition in the flat-plate boundary layer at a high freestream turbulence level, time measured from the onset of the motion serving as the longitudinal coordinate. The solution makes it possible to estimate the effect of different factors, such as flow unsteadiness and nonlinearity and the characteristics of the freestream velocity fluctuation spectrum, on laminar-turbulent transition in the boundary layer.     

MODELLING AND CALCULATION OF THE TURBULENT BOUNDARY LAYER ON A ROTATING CYLINDER SURFACE WITH STRONG SUCTION 1)

提出了湍流边界层的一种简单、快速计算方法, 用以求解强吸气作用下旋转圆筒表面边界层流动. 首先, 理论分析了同心圆筒间的旋转流体运动, 外筒静止、内筒旋转且为多孔吸气条件. 强吸气情况下旋转流动主要表现为内筒壁面附近的边界层流动, 基于这一事实得到了周向速度分布的解析表达式. 其次, 通过引入新参数扩展Cebeci-Smith代数湍流模型, 使其能考虑流线曲率、壁面吸气、低Reynolds数效应等因素. 针对这些因素的综合影响, 采用解析修正和经验参数对模型进行调整. 同时, 基于Reynolds应力湍流模型的仿真结果, 校准代数湍流模型中的经验参数. 最后, 给出基于广义Cebeci-Smith湍流模型的旋转壁面边界层流动的迭代算法, 该算法适用于需要特殊迭代过程的轴向及周向流动均匀情况. 计算了不同旋转速度和吸气强度组合工况下的边界层流动, 其周向速度和湍流强度分布与基于Reynolds应力湍流模型的计算结果非常接近. 并且表明, 当Reynolds应力湍流模型数值模拟预测内筒边界层为稳定层流时, 该方法也再现了相同初始条件下的层流边界层.     

海岸城市上空热力内边界层的基本特征

海岸热力内边界层内大气在热力驱动下产生垂向对流运动,对海岸带的大气运动规律产生深刻的影响.在海岸城市地区,受城市冠层复杂结构的影响,热力内边界层呈现诸多独特的性质.采用大涡模拟的方法,研究了海岸城市热力内边界层内的流动特征.将海岸城市建筑物拟形为一系列有序排列的立方体块,并基于浸入边界方法考虑其对大气流动的影响.和常见的区域尺度数值研究中将城市下垫面假设为均质属性平面的方法相比,模拟结果的精度明显提高,海岸热力内边界层内各种尺度的动力过程也能在一定程度上得以描述.模拟计算了海岸城市热力内边界层、中性海岸城市边界层和开阔的自然海岸热力内边界层共3种情况,对比研究了城市摩阻和海岸热力作用对海岸城市上空大气运动的影响.研究结果表明:在空间上,边界层中各紊流特征量均在街谷尺度呈现出有规律而非均匀分布的特点;在强度上,热力作用与城市构筑物的摩阻作用相互促进,使得紊流强度显著提升并大于两种作用线性叠加的结果.此外,还发现有城市冠层海岸的热力内边界层发展远快于相同热力条件下的自然海岸带,边界层的发展规律也有显著的不同.     

超声速平板边界层斜波失稳转捩过程研究

以5阶迎风和6阶对称紧致格式混合差分求解三维可压缩滤波Navier-Stokes方程，对Mach 数为4.5, Reynolds数为10000的空间发展平板边界层湍流进行了大涡模拟. 时间推进采用 紧致存储3阶Runge-Kutta方法，亚格子尺度模型为修正Smagorinsky涡黏性模型. 通过在 入口边界叠加一对线性最不稳定第一模态斜波扰动，数值模拟得到了平板层流边界层失稳转 捩直至湍流的演化过程. 对流场转捩过程中瞬时量及统计平均量的分析表明，数值模拟结果 与理论吻合，得到的Y型剪切层、交替\Lambda涡结构以及转捩后期的发卡涡结构的发展 变化与相关文献结果一致，湍流流谱定性合理.     

Receptivity of the Flat-Plate Boundary Layer to Free-Stream Turbulence

The linear problem of generation of perturbations of a flat-plate boundary layer by external turbulence is solved. The turbulence is represented in the form of a set of space- and time-periodic vortex modes. It is shown that the boundary layer is most receptive to low-frequency longitudinal vorticity modes. The mean-square velocity fluctuations in the boundary layer and their spectrum are found for isotropic turbulence with a spectrum satisfying the Kolmogorov-Obukhov law.     

壁面温度在多参数下对平板边界层的影响研究

为了得到壁面温度在不同来流速度、不同湍流强度条件下对边界层转捩与减阻的影响规律,本文采用Transitionk-kl-ω模型对低来流速度下无压力梯度的光滑平板进行了数值模拟。结果表明,随着来流速度的升高,壁温升高所起到的减阻效果更好,即高来流速度对壁面温度更为敏感。当来流处于中高湍流强度下时,壁温升高能起到推迟转捩的作用,且随着湍流强度的升高,转捩推迟的效果越好,但减阻效果正好相反;当来流处于低湍流强度下时,壁温升高会使得转捩提前发生。壁温升高抑制了边界层内流体的脉动程度,使得层流的稳态不易被破坏,流动更加稳定;同时,壁温升高使得边界层内流体的速度梯度减小,从而降低了壁面摩擦系数,故壁温升高能起到推迟边界层转捩与减阻的作用。     

水平流动边界层内气固相间作用的试验研究

应用三维粒子动态分析仪（threedimensionalparticledynamicsanalyzer）,测量了含有230μm颗粒的气固两相水平流的特性,特别是壁面边界层内的两相流动特性．结果表明颗粒载荷比（质量流率）对相间作用有较大影响,随颗粒流率的增加颗粒对气流平均速度和湍流的影响增大,颗粒使气流速度边界展变薄．颗粒和气流相互作用在不同方向上呈各向异性,颗粒对气流垂直方向的脉动影响较大．颗粒与湍流边界层气流的作用行为大致可以分成三个区域：贴壁区、中间区和外流区．     

Transition to Turbulence in the Boundary Layer on a Plate in the Presence of a Negative Free-Stream Pressure Gradient

Transition to turbulence in the boundary layer on a flat plate is investigated numerically for an incompressible fluid flow with a given negative free-stream pressure gradient. The transition is investigated using the three-parameter turbulence model developed by the authors. The calculation results are compared with the available experimental data.