基于粗糙壁面修正的平衡大气边界层紊流风场大涡模拟研究

Reproduction the equilibrium atmospheric turbulent flow, which is one of basic problems in computational wind engineering, needs be solved urgently. It is essential for fluctuating wind loads simulation and numerical accuracy improvement. For the two existing fluctuating inflow generation methods, synthetic random series method (SRSM) is diffcult in fulfillment with discretized momentum equation, and precursor simulation method (PSM) is difficult to control the characteristics of generated wind field. Furthermore,the problems about the self-sustain of turbulent flow in LES cannot be neglected. This project will set the boundary layer wind characteristics measured in wind tunnel as the verification target. In order to combine the advantages of SRSM with PSM, generate turbulence flow by SRSM firstly, and then improve the PSM convergence by filtering, and let the fluctuating velocities self-adapting with the discretized N-S equations like PSM. Establish the decaying law after filter and adaption, and then modify the wind characteristics of SRSM to achieve the target wind characteristics. Secondly, to obtain the equilibrium development of the wind field, add the rough wall correction to near-wall treatment in LES and IDDES, and avoid modifying the turbulence model parameters. Finally, examine the accuracy of large-eddy simulation of the full-size ultra-high Reynolds number atmospheric turbulent flow. The results will improve the reliability of computational wind engineering, and expand its application in depth and breadth.

再现平衡大气边界层紊流风场是计算风工程中亟待解决的基础问题之一，对于脉动风荷载模拟和数值精度提高都至关重要。脉动来流生成方法中随机序列合成法存在与离散动量方程不相容的问题，而预前模拟法存在难于控制风场特性的问题。此外，大涡模拟中紊流风特性的自保持问题也不容忽视。本项目将以风洞边界层紊流场试验中测得的风特性为验证目标，结合随机序列合成法与预前模拟法的优势，将随机序列合成法生成的满足目标风特性的紊流场，通过滤波提高预前模拟的收敛性，在预前模拟中使风速场与离散N-S方程自适应，建立滤波和自适应前后风场的衰减规律，再通过修正随机序列合成法中的风特性，实现目标紊流风场的模拟。其次，将分别在LES和IDDES的壁面处理中加入粗糙壁面修正，避免修改湍流模式参数，实现风场的平衡发展。最后，考察大涡模拟全尺寸超高雷诺数大气边界层紊流场的精度。成果将提高计算风工程的可靠性，拓展其应用深度和广度。

在“大气边界层数值风洞中”再现平衡大气边界层紊流风场是计算风工程中亟待解决的基础问题之一，对于脉动风荷载模拟和数值精度的提高值至关重要。虽然基于雷诺时均方法模拟稳态平衡大气边界的研究已较成熟，但针对非稳态大气边界层风场平均及脉动特性自保持性的讨论还较少。另一方面，脉动来流生成方法中随机序列合成法存在离散动量方程不相容的问题，而预前模拟法存在难以控制风场特性的问题。针对上述问题，本项目主要进行了以下几方面的研究：.针对非稳态平衡大气边界层风场特性的自保持问题，我们基于雷诺时均模型提出了一类新的入口条件，并通过施加壁面剪应力以及修正壁面第一层网格参数的方法，避免了修改湍流模式参数的同时实现了风场的平衡发展。.针对三维大气边界层紊流风场的脉动入口的生成方法，我们基于大涡模拟和von-Karman功率谱推导得出了网格尺寸与脉动速度最高频率之间的关系；通过过滤DSRFG方法生成的满足目标风特性的紊流场中的脉动速度高频成分改善了流场中存在的较大的压力梯度，并且结合曲线拟合理论和曲线优度检验统计了DSRFG方法的平均风剖面变化规律。.此外，我们在适用于低雷诺数平板湍流边界层的回收-变换方法的基础上，提出了两种不同的主动控制方法。一种是通过构造脉动速度的比例系数，只针对流场特定位置处脉动速度进行调试的方法，将其用于不同粗糙地貌下高雷诺数湍流边界层风场的大涡模拟计算，得到了满足目标湍流强度的边界层风场，并验证了平均和脉动风特性；另一种是结合PID反馈控制理论，根据平均速度误差与湍流强度误差，分别对平均速度与脉动速度进行调试的方法，基于该方法在无障碍物的数值风洞中大涡模拟了不同粗糙地貌的大气边界层风场，得到了满足目标平均风剖面的脉动速度场，且该速度场在计算域内具有较好的自保持特性。