基于显式Runge法曲面屋盖高雷诺数数值模拟研究

来源 :哈尔滨工业大学 | 被引量 : 0次 | 上传用户:wubaishan
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采用计算流体力学方法用于获取建筑的风荷载信息是一个节约成本、灵活的手段,但用其来获取建筑表面的脉动风荷载信息特别是高雷诺数下的风压信息时,需要有更高的计算精度以获得可信的结果。目前常见的计算流体力学商用软件的时间项精度为二阶,为了增加计算精度,本文基于开源计算流体力学平台OpenFOAM,将Runge法引入到不可压缩流的计算中,以获得更高的计算精度,为典型曲面屋盖的高雷诺数数值模拟研究提供帮助。本文首先将可缩流的显式Runge法进行修改使其适用于不可压流,确定计算参数,提高了时间格式的精度;针对脉动风压模拟,对比分析了大涡模拟计算中的关键参数(包括亚格子模型、差分格式、壁面函数)对于数值模拟结果的影响,给出了计算建议;对柱面和球面屋盖进行了不同雷诺数下的模拟,分析了流场结构和表面风压分布随雷诺数的变化规律,并与风洞试验进行对比,验证了本文方法的有效性,同时为下一步的雷诺数效应研究提供技术支持。主要内容包括:(1)基于微分代数方程理论,推导得到合适的Runge法计算参数,并与压力投影法相结合,将时间项精度提高到三阶。同时对泊松方程出现奇异的现象进行讨论并给出处理方法,采用多重网格法求解泊松方程,使用并行计算提高数值计算效率,最后经典算例泰勒涡、方腔驱动流与双剪切流验证了数值模拟方法及其时间项精度。(2)采用了大涡模拟方法,以Re=6.9×10~4柱面模型为算例,对比分析了大涡模拟中不同亚格子模型及参数、不同差分格式、不同壁面函数对模拟结果的影响。亚格子模型参数的大小决定亚格子耗散程度,推荐使用Cs=0.104的Smagorinsky亚格子模型;Gamma格式会降低计算的脉动风压系数,并对整个流场有磨平效果,推荐使用中心格式计算;壁面函数会影响壁面附近流场,推荐使用u型壁面函数。(3)对柱面屋盖和球面屋盖在多个雷诺数下进行了数值模拟,探讨了平均风压系数、脉动风压系数、分离角度、压力梯度、速度梯度随雷诺数的变化规律,平均和脉动风压分布的数值模拟结果与对应风洞试验结果吻合,为雷诺数效应的进一步研究提供了技术支持。
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