阻塞率对表面风压系数影响数值模拟

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1、阻塞率对表面风压系数影响数值模拟基金项目：上海市博士后基金科研资助计划项目(07R214162)作者简介：方平治(1974),男，河南平舆人，副研究员，工学博士，Ema订：freedomfpz@163.com。摘要：以同济大学TJ2风洞模拟的缩尺比为1：50的B类风场为目标，给出了基于标准k£湍流模型的数值风场。作为数值风场的一个应用，对TTU模型的定常绕流进行模拟,并与风洞试验以及现场实测结果进行比较，重点探讨了阻塞率对表面风压系数的影响。结果表明：对于TTU模型的屋顶和背风面，阻塞率增大可导致风压系数绝对值

2、有增大趋势；对于TTU模型的迎风面，由计算域侧面引起的阻塞率增大，导致风压系数有减小趋势，而由计算域顶面引起的阻塞率增大，则导致风压系数有增大趋势。关键词：TTU模型；表面风压系数；壁面函数；阻塞率;数值模拟；ke湍流模型中图分类号：TU312文献标志码：A0引言风洞试验是风工程研究的重要手段，然而存在周期长、耗费大、不能够提供足够多的流场信息等缺点，因此基于计算流体动力学的数值风洞得到日益广泛的应用。尽管计算机技术迅猛发展，但计算量仍是数值风洞在工程应用中需要考虑的一个重要问题，其中计算域是影响因素之一。数值

3、计算中通常对计算域进行优化，以得到和计算域无关的数值计算结果，同时计算域尽可能小。近年来，在欧洲和日本分别有研究小组对计算流体动力学在工程中的应用进行研究，给出了一些建议，并对计算域问题进行了探讨［12］。为了有效评价计算域，必须对风场进行高精度模拟。在计算域内再现大气边界层是数值风洞的一个基本要求。数值方法的误差不仅来源于湍流模型以及钝体绕流的复杂性，数值模拟大气边界层的不足也是一个重要因素。围绕数值模拟大气边界层问题，许多学者进行了研究。基于标准湍动能湍动能耗散率（k£）湍流模型，Richards等［3］研

4、究了大气边界层的数值模拟方法，给出了和湍流模型相容的来流边界条件，包括平均风速、湍动能和湍动能耗散率。基于文献［3］中的研究成果，Yang等［4］重新推导了来流边界条件，给出了和现场实测以及风洞试验结果相吻合的湍动能来流边界条件oBlocken等［5］对数值模拟大气边界层存在的壁面函数问题进行了阐述。本文中笔者对壁面函数问题进行了研究［67］,从非均匀粗糙度入手，在标准壁面函数［8］基础上，增加一个附加项，克服了壁面函数问题对模拟大气边界层的不利影响；以同济大学TJ2风洞模拟的缩尺比为1：300的B类和D类风场

5、为来流边界条件，建立了基于系列湍流模型的数值风场，并对附加项的有效性进行了验证。这些数值风场满足现行《建筑结构荷载规范》(GB50009—2001)[9]中关于平均风速和湍流强度的规定。以同济大学TJ2风洞模拟的缩尺比为1:50的B类风场为目标，本文中首先建立了基于标准湍流模型的数值风场。作为数值风场的一个应用，对TTU模型的定常绕流进行了计算，并与风洞试验和现场实测结果进行了比较；在此基础上，重点探讨了阻塞率对表面风压系数的影响。此外，还对出流面和入流面位置对表面风压系数的影响进行了计算。1基于标准湍流模型数

6、值风场1.1标准壁面函数的附加项对于大气边界层，其粗糙度是由大小不等、分布不均匀的粗糙元形成的。在数值模拟大气边界层研究中，为了考虑这种非均匀性，在标准壁面函数基础上，给出了一个附加项,即式中：U为壁面附近的平均风速；U*为摩擦速度；K为冯•卡门常数，k=0.42；z为到壁面的垂直距离；Ks为物理粗糙高度；C2为常数；6B为附加项，6B=ln(a)/k,a为参数。参数a—般大于1,SB为正值，因此，具有附加项的标准壁面函数可以提供更小的平均风速，这对于具有较大粗糙度的地貌类型和小缩尺比的风场尤其重要。当a",8

7、B=0时，式(1)即为标准壁面函数。附加项克服了单独依靠由近壁面网格提供粗糙度的限制，即克服了壁面函数问题。1.2数值风场采用标准湍流模型，以同济大学TJ2风洞模拟的缩尺比为1：50的B类风场为目标，本文中首先给出数值风场。数值风场参考高度HG=1.0m处的参考风速UG=6.0m・sT。风场的粗糙长度与对应的湍流模型常数以及边界条件见表1,2,其中P为风压。墙边界条件采用具有附加项的标准壁面函数。附加项由FLUENT6.3的用户自定义函数(UserDefinedFunction,UDF)编程实现，并通过用户自定

8、义壁面函数(UserdefinedWallFunctions,UDWF)代替标准壁面函数。附加项8B=5.5,给出a=10,因此，z，0二z0/a=0.000158m,其中，z0为空气动力学粗糙长度。由于利用了附加项，满足FLUENT6.3关于Ks2.2数值模拟结果1.2.1理想计算域风洞试验中，通常要求阻塞率足够小，以减小风洞的侧面和顶面对建筑物绕流产生的不利影响[1214],上述原