数值大气湍流边界层生成方法的改进与验证

The realization of turbulent atmospheric boundary layer (ABL) in numerical wind tunnel based on CFD is one of the fundamental problems in computational wind engineering. Up to now, precursor and synthetic method are mainly employed in generating boundary layer turbulence. However, the results of both methods have deviation with the predefined objective mean and fluctuating wind characteristics. In this project, the active-control idea in multiple-fans wind tunnel will be adopted to improve the weak recycling method and the synthetic random Fourier method. In the weak recycling method, the recycled mean and fluctuating wind velocities are tuned before applying on inlet boundary. The drag source term is imposed in the near-ground zone to replace physical blocks. Parameters in the weak recycling method are optimized to avoid laminarization and spurious periodicity problems. With respect to the synthetic random Fourier method, the values of key parameters are adjusted to improve the spatial correlation and generation efficiency. The volume force terms applied in the development section can replenish the turbulence decay. Finally, based on the accuracy and efficiency of DES simulation, the comparison of wind tunnel and full scale wind field and loading on buildings are utilized to judge the best turbulent ABL generation method. The main aim of this study is to solve the problem of turbulent ABL generation, which could technically support the deep utilization of CFD in structural wind engineering.

在CFD数值风洞中模拟大气湍流边界层是计算风工程的基础问题之一。现有边界层湍流的生成方法主要包括预前法和合成法，而两类方法都存在模拟风场的平均及脉动特性与目标不一致的问题。本项目将借用多风扇物理风洞的主动控制思想，基于模拟与目标的误差，结合PID反馈控制原理分别改进弱回收法和谐波叠加合成法。在弱回收法中控制调节入口的平均及脉动速度分量，在近地粗糙区施加易于调整的阻力源项替代物理粗糙元,优化弱回收法设置避免假周期及层流化问题。而在谐波叠加合成法中通过深度分析现有方法，改进关键参数取值优化空间相关性，提高生成效率，并控制调节发展段施加的体积力源项补充湍流衰减。最后，分别对比风洞缩尺及现场全尺寸的风速场和建筑物风荷载的DES混合模拟结果，通过效率和精度评判最优的大气湍流边界层风场生成方法。本研究致力解决大气湍流边界层数值风洞的生成问题，将为CFD在结构风工程学科的深入应用提供技术支撑。

在CFD数值风洞中模拟大气湍流边界层是计算风工程的基础问题之一。现有边界层湍流的生成方法主要包括预前法和合成法，二者均存在模拟风场的平均及脉动特性与目标不一致的问题。为解决该类问题，本研究分别提出了反馈控制弱回收法（CWR）与随机合成体积力法（SVF），建立了符合真实粗糙下垫面特性的强化冠层阻力（ECD）模型。具体工作如下：.基于植被冠层模型建立了适用于不同粗糙度场地的ECD模型。以综合阻力系数表征场地粗糙度，以平均风速与湍动能为优化目标，采用多目标遗传算法对其进行优化，得到了更加符合大气边界层粗糙下垫面特征的综合阻力系数。基于SST k-ω湍流模型应用ECD模型得到了对数律、指数律入流条件下三类不同粗糙场地的水平均匀大气边界层风场；在此基础上建立了用于LES中模拟粗糙场地的SECD模型，可在数值风洞中精确再现真实粗糙下垫面特性；.提出了CWR方法，以回收的湍流强度与目标间的误差为控制量，结合PID策略构造脉动风速调节系数，以此对回收的脉动风速进行动态调节后加载至入口处，实现了对内部流场脉动风特性的主动控制。应用SECD模型结合比例参数为-80的CWR实现了三类不同粗糙场地湍流边界层的LES计算，得到的湍流风场发展充分、满足目标平均风速与湍流强度。.提出了SVF方法，由傅里叶合成原理计算流体单元加速度，并建立作用于其上的体积力后以源项加入NS方程中。体积力以区域的形式作用于计算域内部，且当该区域的顺流向宽度为1.3δ时，结合SECD模型应用SVF方法实现了三类粗糙场地湍流边界层的LES计算，生成的风场满足目标平均风速、湍流强度及各向异性Von-Karman谱；流场无明显顺流向压力梯度，涡量场受网格过滤影响小。该方法解决了傅里叶合成法生成的脉动风速序列不满足离散NS方程而引起的压力梯度、风场重构等问题；.通过建立与东京工业大学独立高层建筑风洞试验相同的数值模型，验证了SECD模型、CWR以及SVF方法的精度及效率。本研究解决了大气湍流边界层数值风洞生成的部分问题，可为CFD在结构风工程学科的深入应用提供技术支撑。