基于傅里叶合成法的大气边界层脉动风场大涡模拟

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随着现代建筑往高耸和大跨的方向发展,建筑的风敏感性越来越受到重视。快速发展的计算风工程为建筑绕流分析提供了有效手段,其中大涡模拟方法是目前研究的热点。在大涡模拟中,生成入口边界脉动来流是真实模拟建筑周围风场的先决条件。目前傅里叶合成法因其使用方便且计算快速等优点已被广泛使用,但仍然存在无法严格满足所有目标湍流特性等问题。为研究傅里叶合成法公式中各参数与实现目标湍流特性之间的内在机理,本文明确了目标湍流特性易混淆的基本概念及各目标湍流特性的适用范围,并针对基于Kraichnan等提出的方法改进得到的四种傅里叶合成法的基本公式,从脉动风速均值、均方值、风速谱、时间相关性、空间相关性及随机性六个方面进行相关参数理论研究,分析了各个方法实现目标湍流特性的准确程度并指出各方法在应用过程中的一些注意事项。研究结果表明分析的四种傅里叶合成法均未考虑实现目标积分尺度,且只能通过试算的方式使生成的脉动风场的空间相关性与目标值近似,计算量较大。针对目前傅里叶合成法的不足,提出了一种改进的入流湍流生成技术CIRFG(Correlation Improved Random Flow Generation)方法。通过分析比较目标湍流统计特性的特点及适用性,确定了改进的方法拟满足的目标湍流特性。依据傅里叶合成法相关参数与实现目标湍流特性之间的内在机理,理论推导了改进的方法能够严格满足积分尺度和任意顺风向脉动分量的横向空间相关系数。并通过生成入口边界的脉动风场,验证了改进方法的理论推导的准确性,且与CDRFG(Consistent Discrete Random Inflow Generation)和NSRFG(Narrow Spand Random Flow Generator)方法进行对比分析,验证了改进方法能够满足更多的目标湍流特性且具有更高的计算效率。运用改进的方法生成的脉动风场作为大涡模拟入口边界条件,对CAARC(Commonwealth Advisory Aeronautical Research Council)标准模型进行数值风洞模拟,并与风洞实验结果进行对比分析,验证了改进方法具有准确性和适用性。同时与CDRFG和NSRFG两方法进行比较分析,验证了改进方法具有模拟精度更高的优势。
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