大气边界层风洞中风场的数值模拟

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1、第1章绪论第1章绪论1.1课题研究背景哈尔滨工业大学正在建设的风洞试验室，是一座能同时模拟大气边界层风场和海浪联合作用的闭口回流式风洞。风洞的平面布置如图1-1所示，立面如图1-2所示。风洞的主要技术参数如表1-1所示，水槽的主要技术参数如表1-2所示。目前外部土建工程部分已经完成，洞体安装和水槽施工也正在进行之中。图1-1风洞平面布置图Fig1-1Layoutofthewindtunnel图1-2风洞洞体立面图Fig1-2Sketchofwindtunnelbody洞体安装完成后，需在试验段中加入人为的干扰装置，以形成风洞试验[1]所需要的各类大气边界层风场条件。由于CFD数值模

2、拟技术可简便、快捷-1-哈尔滨工业大学工学硕士学位论文地再现风洞中的流场状态，因此本文在哈工大风洞建成前拟采用CFD技术对大气边界层风场特性进行模拟。表1-1风洞试验段的主要技术指标Table1-1Mainindexofthewindtunneltestsection小试验段大试验段试验段尺寸4.0m宽×3.0m高×25m长6m宽×3.6m高×50m长风速(m/s)3~1010~45<55~33湍流度<1.0%<0.5%<3%<2%平均速度偏差<±2.0%<±1.0%<±5.0%<±3.0%0气流偏角<1.0——收缩比4.0：1——风扇类型：直流功率：730kw表1-2水槽主要技术

3、指标Table1-2Mainindexofthegutter水槽尺寸5m宽×4.5m深×50m长最大工作水深(m)4.0波高范围(m)0.03~0.5波周期(s)0.5~5规则波波高横向误差，稳定性，重复性不规则波谱峰周期，总能量误差1.2大气边界层风场特性由于地面摩擦对风的水平运动产生阻力，使气流速度减慢，在临近地表一定高度范围内显得格外紊乱，超过该高度之后，地面摩擦的影响可以忽略，气流将沿等压线以梯度风速流动，这一高度称为大气边界层高度或边界层厚度。由于大部分建筑物都在这个范围内，因而对大气边界层风场特性的研究具有十分重要的意义。大气边界层风场主要的4个特征参数为：平均风剖面、

4、湍流强度、脉动风的功率谱和湍流积分尺度。-2-第1章绪论1.2.1平均风剖面描述平均风速随高度变化规律的曲线为风速剖面。目前常用的风速剖面重要有两种表示方法：对数律表示法和指数律表示法。1.2.1.1对数律表示法对数律表示法可以表达为：−1⎛⎞z'uz()=uln⎜⎟（1-1）*κz⎝⎠0'式中uz()为大气底层内z高度处的平均风速；u为摩擦速度或者流动剪切速*'度；κ为卡门（karman）常数κ≈0.40；z为地面粗糙长度（m）；z为有效0'高度，zz=−z，其中z为离地高度（m），z为零平面位移（m）。dd近年来的实验研究表明，对数律约占大气边界层厚度的10%，具体地，在100

5、m高度范围内对数律表达风剖面是比较满意的。而对结构设计来说，当超过这一高度时，对数律将偏于保守。1.2.1.2指数律表示法由G.Hellman提出，并由A.G.Davenport根据多次观测资料整理出不同场地下的风剖面，提出了在梯度风高度内平均风速沿高度变化的规律可用指数函数表示，其表达式为αuz()⎛⎞z=⎜⎟（1-2）uzrr⎝⎠式中z，u分别代表标准参考高度和标准参考高度处的平均风速；z，uz()代rr表任一高度和任一高度处的平均风速；α为地面粗糙度指数，随不同地形而变化。我国建筑结构荷载规范根据地表粗糙状况将地貌类别分成A，B，C，D等4类，A类指近海海面和海岛、海岸、湖岸

6、及沙漠地区；B类指田野、乡村、丛林、丘陵以及房屋比较稀疏的乡镇和城市郊区；C类指有密集建筑群的城市市区；D类指有密集建筑群且有大量高层建筑的大城市市区。对应的α值分别为0.12，0.16，0.22和0.30，而对应的梯度风高度分别为300m，350m，400m和450m。1.2.2湍流特性描述由于近地风在流动过程中受到地表因素的干扰，产生大小不同的涡旋（即形成大气边界层湍流），因此在速度上呈现随机脉动特征。根据湍流脉动频谱-3-哈尔滨工业大学工学硕士学位论文理论，通常认为湍流脉动是有平均风输运的一些涡旋的叠加作用引起的，每个涡旋都会在流场中引起一个圆频率为ω=2πn的周期脉动。湍流

7、运动的总动能可以认为是所有大小不同的涡旋贡献的总和。大涡旋从平均风中获得能量，是湍流能量的主要携带者，其脉动频率较低；小涡旋的脉动频率较高，具有各向同性的特点，其作用是产生能量耗散。因此，湍流流动可以看作是能量由低频脉动向高频脉动过渡，并最终被流体粘性所耗散的过程。大量的实测分析结果表明，脉动风速是零均值得平稳随机过程，因此通常采用概率统计的办法来描述大气边界层湍流特性。主要有以下几个方面：σ(u)1.2.2.1湍流强度Iz()=（1-3）uz()其中，uz()是高度