超高层连体建筑风荷载干扰效应大涡模拟研究

超高层三塔连体建筑的主楼受到裙房及子楼的干扰作用显著,以某超高层三塔连体建筑为对象,基于LES(大涡模拟)方法对其进行了24个方向角下的数值风洞试验,并将主楼的体型系数与物理风洞试验结果进行了对比验证,再基于大涡模拟结果分别从平均和脉动风压特性、涡量分布以及干扰机理等方面探讨了超高层多塔连体建筑风荷载和干扰效应.结果表明:大涡模拟和风洞试验结果吻合较好;单体工况下主塔表面随机涡旋较密集、风压脉动较大、且尾流分离区域较小,当子塔处于主塔上游位置时对主塔结构抗风设计存在有利的"遮挡效应",此时来流湍流对主塔风场分布起主导作用;当子塔处于主塔下游位置时会对主塔存在不利的风压放大作用,特征湍流作用更明显.     

大跨度屋盖风荷载的大涡模拟研究

应用一种新的湍流脉动流场产生方法DSRFG(discretizing and synthesizing random flow generation)模拟风场实际的湍流边界条件.采用一种新的大涡模拟LES(Large Eddy Simulation)的亚格子模型,基于linux系统下软件平台Fluent6.3的并行计算技术,计算了长沙机场扩建航站楼屋盖结构在5个风向下的风荷载.根据对机场屋盖的平均风压和脉动风压系数分布规律的分析,给出了各风向角下屋面的表面风压分布特性和最不利风向角,为长沙机场扩建航站楼的抗风设计提供了依据.并为进一步发展此类复杂建筑结构在复杂湍流环境下的风荷载数值风洞技术提供参考.     

基于格子Boltzmann方程的大涡模拟对湍流时空关联性的研究

将格子Boltzmann方程和大涡模拟(LBE-LES)相结合,提出适应于格子Boltzmann方法(LBM)的涡黏性亚格子尺度模型,开展均匀各向同性湍流时空关联性的研究.采用D3Q19格式计算湍流的三维能谱、湍动能耗散率和其它高阶统计量,与实验和直接数值模拟结果的比较表明,该模型比传统涡黏模型有明显改进.考察了不同亚格子模型预测湍流频率波数能量谱的能力,结果表明,尺度涡产生的横扫作用是造成小尺度涡时间去关联的主要因素,不同波数的频率能量谱之间有一定的相似性,横扫速度是描述湍流频率波数能量谱的特征量.     

制动工况下液力变矩器大涡模拟流场仿真及可视化试验验证

为了准确地揭示液力变矩器流场时空演化机理,基于计算流体动力学理论,采用5种不同的大涡模拟(LES)亚格子湍流模型(SL、WALE、WMLES、WMLES S-Omega、KET)精细仿真制动工况下液力变矩器三维流场,识别并提取涡轮内部非定常多尺度三维涡结构,籍此分析时空多尺度涡演化特征及其对流场结构演变的影响规律.基于...     

跨/超临界流体大涡模拟状态方程亚格子模型综述

随着高效率、大推力燃烧技术的发展,跨/超临界流体流动的情况在先进动力装置中日益增加。研究跨/超临界流体流动与燃烧具有重要的应用价值。由于真实工况下实验测量成本高、风险大,可得到的实验数据有限,使用大涡模拟(large eddy simulation, LES)可获取详细流场结构和燃烧动力学特性信息。跨/超临界流体流动过程中热物性参数经历非线性剧烈变化,须引入真实气体状态方程并修正现有亚格子尺度建模理论。该文讨论了工程计算中常用的真实气体状态方程及其适用条件,阐述了状态方程亚格子模型的发展思路与历程,总结了4种亚格子密度模型的原理和性能等,并指出了跨/超临界流体流动与LES未来可能的研究方向,为准确快速计算跨/超临界流体问题提供思路,进而支撑新一代先进动力系统的研制与开发。     

大涡模拟预报可靠性分析

针对明渠道湍流流动,研究了计算网格、计算域大小、亚格子（SGS）模型和雷诺数等因素对大涡模拟（LES）预报精度的影响。研究表明,即使简单外形的湍流流动,网格尺寸大小及匹配仍较大地影响大涡模拟计算结果,因此具体使用中应予以充分重视。     

基于一种标准城市建筑模型的行人高度风环境比较研究

对日本建筑学会（AIJ）提出的标准建筑风环境模型,分别采用风洞试验、基于雷诺平均（RANS）和大涡模拟（LES）的数值模拟方法,开展了考虑不同中央高层建筑高度和来流风向角对周围行人高度风环境影响的详细比较研究。结果表明：RANS和LES模拟得到各测点风速比的变化趋势与风洞试验整体上一致,相对而言,LES模拟结果与风洞试验结果更接近,平均误差约为RANS的1/2;而RANS方法总体上低估了行人高度风速,无法准确反映建筑背风面的风加速状况。随着中央建筑高度的增加,周边行人高度风速逐渐增大,100 m高度的超高层建筑对局部区域风速的加速达到1.6倍;但当中央建筑高度超过150 m、继续增大至200 m时,行人高度风速不再增大。当风向角在0°～90°范围变化时,在高层建筑背风面和角区附近会产生行人高度风场加速的“文丘里效应”;其中当来流风向角为45°时,风加速情况最为显著,显示出斜风来流工况下会对高层建筑周边行人风环境带来最不利的影响。     

显式滤波大涡模拟算法

在传统大涡模拟算法的基础上引入显式滤波技术，有效地控制了截断误差．对对流项和湍流应力项进行二次显式滤波，并对湍流应力的分解形式作了相应改进．以三维平板通道为计算模型编写了二阶精度计算程序，对传统、显式滤波大涡模拟2种算法的计算结果进行了对比，并就亚滤波模型的重建程度对计算精度的影响进行了探讨．计算结果表明：2种算法对流线方向平均速度分布模拟差异不大，但显式滤波大涡模拟算法可明显改进脉动速度分布；随着对亚滤波模型重建程度的提高，平均速度和脉动速度分布均有明显改进．     

涡轮桨搅拌槽内混合过程的大涡模拟

在FLUENT 6.1软件平台和网络并行计算硬件平台上,采用大涡模拟(LES)的方法对涡轮桨搅拌槽内的混合过程进行了数值模拟。利用滤波函数对N av ier-Stokes方程进行空间滤波,对大尺寸的涡直接进行求解,而被滤掉的比网格小的旋涡通过Sam agorinsky-L illy亚格子模型求解,对搅拌桨区域采用滑移网格技术。结果表明:大涡模拟对尾涡的预报优于雷诺平均(RAN S)方法,混合时间以及示踪剂响应曲线模拟结果和实验结果吻合较好,且优于RAN S方法。大涡模拟方法为准确预测搅拌槽内湍流流动的非稳态及周期性脉动特性提供了一种有效的工具。     

基于AR模型方法的多维脉动风荷载时程的模拟

研究了脉动风荷载基于AR模型的数值模拟方法。依据脉动风荷载的功率谱密度函数,探讨了AR模型方法实现考虑空间相关性影响的水平脉动风荷载的模拟方法。算例表明,该方法计算简洁高效,模拟结果能够精确反应脉动风的频谱特性。     

两种亚网格湍流模型的旋流扩散火焰大涡模拟

为研究旋流火焰结构,采用二阶矩亚网格(SOM-SGS)燃烧模型及Smagorinsky-Lilly和K方程亚网格湍流模型,对美国Sandia国家实验室测量的旋流火焰进行了大涡模拟,得到了与燃烧场速度、温度和温度脉动实测值相吻合的模拟结果。预报的瞬时温度分布云图与实际火焰的形状很相似。K方程亚网格湍流模型预报的瞬时温度分布比Smagorinsky-Lilly模型的预报结果更接近实际。燃烧火焰基本上位于回流区所在的位置,火焰在回流区被稳定。     

两种亚网格湍流模型的旋流扩散火焰大涡模拟

为研究旋流火焰结构,采用二阶矩亚网格(SOM-SGS)燃烧模型及Smagorinsky-Lilly和K方程亚网格湍流模型,对美国Sandia国家实验室测量的旋流火焰进行了大涡模拟,得到了与燃烧场速度、温度和温度脉动实测值相吻合的模拟结果。预报的瞬时温度分布云图与实际火焰的形状很相似。K方程亚网格湍流模型预报的瞬时温度分布比Smagorinsky-Lilly模型的预报结果更接近实际。燃烧火焰基本上位于回流区所在的位置,火焰在回流区被稳定。     

大跨度体育馆风效应的大涡模拟及风洞试验的对比研究

文章利用大涡模拟(large eddy simulation, LES)湍流模型对合肥某大跨度体育馆的风效应进行研究,得到体育馆表面平均风压和脉动风压的分布规律,并与刚性模型测压风洞试验数据进行对比,验证数值模拟的可靠性。分析结果表明,副馆及周边建筑群对主馆平均风压和脉动风压分布有较大影响,数值模拟得到的风压系数与风洞试验结果吻合较好。研究结果可为大跨度体育场馆的抗风设计提供技术参考。     

高层建筑物表面风荷载数值模拟研究

建筑物体复杂外形的绕流数值模拟在确定高层建筑物体风荷载中有重要的作用,此研究以FLUENT软件为平台,采用基于Octree技术的方法生成非结构四面体网格,求解压力用耦合方程组的半隐式方法进行,利用此方法对高层建筑风荷载进行了数值模拟,收到较好效果。     

基于动力拟序涡模型的水波三维大涡模拟

利用大涡模拟理论数值模拟了规则波和不规则波的传播过程,采用动力拟序涡黏性亚格子应力模型进行波高及速度场的模拟.计算结果表明,模型对水波的波高及由波产生的流体速度分布模拟结果与解析值符合良好,且精度较高.对比分析了人工海绵层及Sommerfeld辐射型耦合边界条件与仅采用Sommerfeld辐射型边界条件对水波数值模拟精度的影响.结果表明动力拟序涡粘性模型可以准确地模拟水波传播特性.     

深圳大运体育中心行人风环境的大涡模拟

建筑群附近风环境的品质,直接影响地面行人的舒适与安全。以深圳大运体育中心主要建筑为工程对象,采用一种新的湍流脉动流场生成方法(discretizing and synthesizing random flow generation,DSRFG)模拟风场的实际湍流边界条件,基于数值模拟计算软件Fluent,对深圳大运会体育场馆为中心10 km范围内的山体和主要建筑物进行全尺寸大涡模拟计算,得到各风向角下体育中心速度场分布。结合当地气象资料,采用超越阈值概率法对体育场馆周围场地行人风环境进行预测与评估,并对风环境较差地区的成因进行分析并提供改良建议。结果表明:该研究方法可以较准确地预测出建筑群周围风环境分布,并为类似体育场馆设计的合理性以及行人风环境的研究与优化提供有价值的参考。     

顶部透空构件的模拟及对高层建筑风荷载的影响

对于高层建筑而言,受风洞自身尺寸的约束,试验模型通常采用较小的几何缩尺比。对于顶部百叶窗,尺寸小且布设面积大,以较小的几何缩尺比无法实现完全真实模拟。寻求一种既可以满足科学研究及工程建设精度要求,又简便易行的模拟方法,成为了当前该类建筑风洞试验模拟的改进方向。对一实际变截面超高层建筑,分别以不同的几何缩尺比和顶部透空率,进行了局部及整体模型风洞试验。基于不同透空率的顶部透空构件天平实验所得平均压力系数表明,透空率的差异可以改变建筑表面的风荷载分布情况且通过透空率相似的小几何缩尺比来代替大比例模型进行风洞试验是可行的。基于顶部透空率不同的整体天平试验的风振响应计算同样显示,顶部透空构件透空率的差异可以较明显的改变建筑物的风致振动响应。对选定透空率的顶部透空构件的天平试验与下部主体结构的测压试验进行整合风振计算,结果表明该计算结果与对应顶部透空率下的常规整体天平试验风振计算响应基本一致,从而说明通过下部主体结构刚性模型测压试验及顶部透空构件高频天平试验来实现高层建筑整体综合风洞试验的模拟方法是可行的。     

基于大涡模拟超大型冷却塔施工期 风荷载时域特性分析

现有冷却塔风荷载研究成果均忽略了施工期的影响,以国内在建世界最高220 m超大型冷却塔为对象,基于大涡模拟(LES)方法获得了施工期冷却塔周围流场信息和三维气动力时程,并将成塔平均风压分布结果与规范及实测曲线进行对比验证了数值模拟的有效性.在此基础上,对比分析了冷却塔施工期平均风压分布规律和流场特性,并基于不同工况下冷却塔周围速度和涡量变化提炼出施工期流场特性与作用机理,揭示了施工期冷却塔脉动风压、极值风压、升/阻力系数及测点间相关性的分布规律,最终基于非线性最小二乘法原理给出了随高度变化的极值风压拟合公式.研究结果表明,端部效应的影响使冷却塔负压极值随施工高度增加由-3.91升至-1.75后降至-2.28,升力系数随施工高度增加逐渐减小,而阻力系数呈先减小后增大的趋势,脉动风荷载的相关性随高度变化先增强后变弱.主要结论可供此类大型冷却塔施工期设计风荷载取值参考.     

大涡模拟中入流边界脉动风速模拟相关参数取值分析

大涡模拟中入流边界条件脉动风速的处理对计算流体动力学的数值模拟结果的正确性和精度有着至关重要的影响,文章对在运用DSRFG法生成湍流脉动风的算法中,研究了几个相关参数(包括脉动风速能量谱离散化的区间样本数Kmax,能量谱密度模拟所选取三角级数向量组的个数N,空间尺度参数因子θ1和时间尺度参数因子θ2)的数值选取,对入流脉动风速功率谱和脉动风速竖向空间相关性模拟结果的影响.模拟计算结果表明:相对于其他3个参数,空间尺度参数因子θ1的选取相对比较离散.结合DSRFG算法和文章提出的最佳参数取值,模拟得到与实际大气风场特性吻合较好的冯卡门谱及其竖向相关特征.     

基于风致响应的高层建筑等效静力风荷载优化设计研究

针对高层建筑等效静力风荷载的优化问题,提出一种结合风洞试验结果和有限元分析的整体优化方法.首先采用有限元分析程序计算结构动力特性,结合相应模型的风洞试验结果,运用阵风荷载因子法(GLF)计算得到原型结构的等效静力风荷载.然后利用ANSYS的优化工具箱,以高层建筑顶部位移限值为约束条件,建筑物自重最小为目标函数进行优化设计.最后,运用整体优化方法对某60层钢框架结构进行优化设计.结果表明:整体优化后,在满足结构顶部侧移要求的前提下,结构基底等效静力风荷载最大降低了10.71%.同时优化分析结果也证明了本文提出的整体优化方法是可行的.