结构风工程中高雷诺数湍流数值模拟新方法研究

High Reynolds number turbulence is one of key scientific problems of structural wind engineering. The related numerical simulation techniques such as RANS (Reynolds averaged Navier-Stokes), LES (Large eddy simulation) as well as DVM(Discrete vortex method) are still incapable of resolving all flow physics numerically in current status of technologies (or need too expensive cost) due to their born disadvantages. In context of structural engineering, it is found that the LES method and DVM have complementary advantages on bluff body flow simulation, and hence a new idea of coupling simulation incorporating both methods is proposed in present project. Two kinds of coupling models will be investigated theoretically and numerically. In the first models, the DVM will be utilized to simulate the subgrid scale vortex by a transforming model between voricity and subgrid scale turbulent energy produced by LES. Then the fluctuation of subgrid scale vortex filtered by LES will be recovered by DVM, and thus a more complete unsteady loads will be obtained. In the second model, the computational domain will be separated in two zones. In region near the bluff body, where the a variety scales of vortex will be produced and the diffusive effect of vortex is relatively low, the DVM will be used, while in region away from bluff body where vortex motion is becoming complex, the LES is used. With such arrangements, the mesh-less merit of DVM to resolve all interested vortex in region near the bluff body is fully utilized while avoid too small mesh generation to resolve small size of vortex for LES. And similarly in region away bluff body, the merit of LES to resolve complex vortex interaction is utilized while avoid the shortcoming of DVM for such simulation. Consequently, the complete loads spectra of bluff body which is close to dangerous frequency band of structure safety can be obtained in the condition of limited mesh. Literature reviews show that it is a novel method to resolve high-Reynolds number turbulence in structural wind engineering.

高雷诺数湍流是结构风工程的核心科学问题之一，从现有的数值模拟方法体系来看，雷诺时平均模型、大涡模拟及离散涡方法各有所长，但均难以解决所有问题（或者必须付出高昂的代价）。本研究结合结构风工程的特点，发现离散涡算法与大涡模拟算法存在一定优势互补，于是提出将二者进行耦合创新：（1）在大涡模拟亚格子尺度范围引入离散涡模型，对亚格子湍动能进行离散涡模拟，将大涡模拟网格尺度截断的部分湍流涡通过无网格的离散涡恢复出来，以得到更完全的非定常荷载；（2）将大涡模拟与离散涡进行分区计算耦合，在钝体附近涡扩散效应低的区域，利用离散涡方法来计算，而在较远的扩散区域用大涡模拟等，这样既可以降低大涡模拟在近壁区需加密网格密度，又避免单纯离散涡模拟存在的不足。在有限的网格尺度下，计算出高雷诺数钝体绕流危险频段完整的荷载频谱，达到工程可以应用的程度，从而找到解决结构风工程中高雷诺数湍流模拟的新方法和途径。

雷诺数湍流是结构风工程的核心科学问题之一，从现有的数值模拟方法体系来看，雷诺时平均模型、大涡模拟及离散涡方法各有所长，但均难以解决所有问题（或者必须付出高昂的代价）。本研究结合结构风工程的特点，发现离散涡算法与大涡模拟算法存在一定优势互补，于是将二者进行耦合创新，在有限的网格尺度下，计算出高雷诺数钝体绕流危险频段完整的荷载频谱，达到工程可以应用的程度，从而找到解决结构风工程中高雷诺数湍流模拟的新方法和途径。经过大量的文献调研及理论分析，针对大涡模拟与离散涡模拟的第一种耦合模式建立了两类亚格子湍流与离散涡模拟的耦合模型，但发现大涡模拟采用二阶的低阶数值格式存在较大数值粘性，增加的高频部分很快被粘性耗散，体现不出模式的优势。进一步建立了高精度低耗散的大涡模拟程序，结合满足Karman谱模型的入口湍流生成算法，考察了数值离散精度对空间湍流随机脉动风场输运及湍流荷载的影响，结果表明高精度数值格式算法可以在较粗网格体系下很好的保持湍流输运的谱形特征，可以将各种尺度的扰动涡低耗散地输运到下游风场。针对国际钝体空气动力学协会2008年发布的标准实验和计算模型BARC计算结果显示，高精度大涡模拟取得了令人满意的结果，表明该方法可精确的预测湍流风场及风荷载，为进一步解决结构风工程中大涡模拟与离散涡耦合的高精度湍流新模型奠定了坚实的基础。值得指出的是，利用各种方法的优势互补，取长补短，进行杂交创新是近阶段高雷诺数湍流可以取得突破性进展的有效途径之一。本研究结合结构风工程的特点，将离散涡算法与高精度大涡模拟算法耦合创新，其目标是获得创新性的模型和方法，以近阶段可以承受的代价解决结构风工程高雷诺数湍流模拟的关键问题，对促进结构风工程领域理论与模型的发展有重要的科学意义。同时，本项目还率先在风工程领域引入高精度大涡模拟算法，并与已发展算法相结合，形成了高雷诺数条件下湍流模拟的一套完整创新性方法。这不仅是解决工程中实际问题的需要，也有利于帮助发现新的物理机制和学术热点。本项目围绕高雷诺数湍流模拟问题展开研究，其研究成果不仅可以应用于结构风工程领域，也可以应用到与高雷诺数工程湍流相关的各种领域，如流体机械、大型飞行器气动绕流等等，具有广阔的应用前景。