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基于FLUENT的大气边界层风场LES模拟

作　者: 王婷婷
导　师: 杨庆山
学　校: 北京交通大学
专　业: 结构工程
关键词: 大气边界层风场大涡模拟有限体积法预前模拟法拟周期边界条件
分类号: TU312.1
类　型: 硕士论文
年　份: 2011年
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内容摘要

随着国民经济的发展和社会活动的需要,人们对工程结构的要求越来越高。为了增加高度与跨度,结构逐渐采用轻质高强的建筑材料,使得结构刚度日趋减小,对风荷载更加敏感；由于对建筑效果的追求,建筑结构的体型越来越丰富多彩,使得确定结构风荷载的难度不断增加。如果不能合理确定作用在结构上的风荷载将会造成工程结构损伤和破坏,给人民生命财产带来重大的损失,所以确定风荷载的准确取值是结构抗风设计的关键；而大气边界层的流场特性,如风速剖面、湍流度剖面、脉动风速功率谱等是确定结构风荷载的基础；因此,准确描述建筑结构周围的大气边界层风场情况是确定结构风荷载的前提。随着计算机软硬件水平的飞速发展,CFD技术在工程中的应用愈加广泛,且CFD具有速度快、费用低、结果采集更为全面等明显优势,良好的应用前景使其在结构风工程领域得到了越来越多的重视,正逐渐成为计算结构风荷载、模拟复杂风环境的重要方法之一。土木工程结构所处的大气边界层风场是不可压缩的湍流运动。根据对湍流中各级尺度涡计算精度和对控制方程处理方法的不同,CFD的模拟方法可分为直接数值模拟法(DNS)、雷诺平均法(RANS)和大涡模拟法(LES)三类。其中,大涡模拟法是数值抗风研究中兼顾计算精度与计算效率的主要选择。本文将采用大涡模拟的方法对不同地貌类别大气边界层风场进行数值模拟,为模拟建筑结构绕流、确定结构表面风荷载提供依据。本文主要研究工作包括：1、通过利用拟周期边界条件、布置粗糙元和添加随机扰动等措施实现了大气边界层风场的LES模拟。其中,通过布置粗糙元增加流场底部的扰动,通过在流场指定范围内添加满足正态分布的随机数来加大流场上部的扰动,并提出了添加随机数标准差的近似计算公式。2、自己编写C语言程序描述上述拟周期边界条件及添加的随机数,将其作为UDF加入到FLUENT软件中参与计算,并通过编写并行程序加快计算速度。3、研究了CFD数值计算中各种参数的设置,主要包括计算域的选取、粗糙元的布置、网格的划分及时间步长的设置,并针对本文所模拟的大气边界层风场提出各参数的合理取值。4、验证了本文提出的数值模拟方法的可行性与正确性,并分析了影响数值模拟结果的主要参数,包括网格密度、数据提取位置、粗糙元高度、随机数大小、随机数赋值方向及范围,掌握了其影响规律。5、采用上述模拟方法,对不同地貌类别的大气边界层风场进行数值模拟,并通过改变各影响参数的取值,使模拟得到的风场特征参数逐渐逼近模拟目标,最终生成需要的大气边界层风场,为后续进行结构钝体绕流的大涡模拟提供了有价值的来流风场生成方法。

全文目录

致谢  5-6
中文摘要  6-8
ABSTRACT  8-12
第一章绪论  12-34
  1.1 大气边界层风场特性及各国规范  12-25
    1.1.1 平均风剖面  13-17
    1.1.2 湍流度剖面  17-20
    1.1.3 湍流积分尺度  20-23
    1.1.4 脉动风速功率谱  23-25
  1.2 大气边界层风场的数值模拟方法  25-28
    1.2.1 直接数值模拟法(DNS)  27
    1.2.2 雷诺平均法(RANS)  27
    1.2.3 大涡模拟法(LES)  27-28
  1.3 大气边界层风场模拟的LES方法  28-31
    1.3.1 序列合成法  28-30
    1.3.2 预前模拟法  30-31
  1.4 本文主要研究内容  31-34
第二章 CFD数值模拟技术  34-44
  2.1 流体动力学基本控制方程  34-37
    2.1.1 连续方程  34-35
    2.1.2 纳维-斯托克斯(Navier-Stokes)方程  35-37
  2.2 不可压缩流体大涡模拟控制方程及亚格子模型  37-38
    2.2.1 大涡模拟控制方程  37-38
    2.2.2 格子尺度模型  38
  2.3 基于有限体积法的控制方程离散  38-44
    2.3.1 一维稳态问题的控制方程离散  40-41
    2.3.2 一维瞬态问题的控制方程离散  41-44
第三章大气边界层风场大涡模拟相关技术问题的探讨  44-52
  3.1 计算参数的设置  44-47
    3.1.1 计算域的选取及粗糙元的布置  44-46
    3.1.2 网格划分  46
    3.1.3 时间步长  46-47
  3.2 数值模拟方法的提出  47-50
    3.2.1 拟周期边界条件  47-49
    3.2.2 随机扰动  49-50
  3.3 C语言程序的编写  50-52
    3.3.1 Fluent软件及UDF功能  50
    3.3.2 并行计算  50-52
第四章不同地貌类别大气边界层风场的大涡模拟  52-78
  4.1 数值模拟方法的验证  52-58
    4.1.1 数值模型  52-53
    4.1.2 边界条件  53-54
    4.1.3 验证工况  54-55
    4.1.4 后处理方法  55
    4.1.5 结果比较  55-58
  4.2 参数分析  58-65
    4.2.1 网格密度的影响  58-60
    4.2.2 数据提取位置的影响  60-61
    4.2.3 粗糙元高度的影响  61-62
    4.2.4 随机数的影响  62-64
    4.2.5 小结  64-65
  4.3 不同地貌类别大气边界层风场的数值模拟  65-77
    4.3.1 模拟目标及模拟步骤  65-68
    4.3.2 A类风场  68-70
    4.3.3 B类风场  70-72
    4.3.4 C类风场  72-74
    4.3.5 D类风场  74-77
  4.4 本章小结  77-78
第五章结论与展望  78-80
  5.1 本文工作总结  78-79
  5.2 进一步工作展望  79-80
参考文献  80-84
附录  84-92
作者简历  92-96
学位论文数据集  96

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