基于openfoam大气边界层风场模拟

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1、基于OpenFOAM大气边界层风场模拟重庆大学硕士学位论文（学术学位）学生姓名：潘涛指导教师：肖正直副教授专业：土木工程学科门类：工学重庆大学土木工程学院二O一五年五月NumericalSimulationofAtmosphericBoundaryLayerWindFieldbyOpenFOAMAThesisSubmittedtoChongqingUniversityinPartialFulfillmentoftheRequirementfortheMaster’sDegreeofEngineeringByPanTaoSupervisedbyAssociatePro

2、f.XiaoZhengzhiSpecialty：CivilEngineeringCollegeofCivilEngineeringofChongqingUniversity,Chongqing,ChinaMay,2015中文摘要摘要湍流入流边界条件是制约结构风荷载数值模拟的一个重要因素：实际的风场来流需满足一定的湍流强度条件及功率谱特征，且存在一定的湍流结构。在稳态模拟RANS模型的模拟中，只能换算成湍流动能k和湍流耗散率湍流结构无法模拟。在LES模拟中，需要采取人工模拟的方法，产生满足相应湍流强度、功率谱特征及湍流结构的随机风速场，这对评估不同特性风场对建筑结构

3、的荷载及效应差异非常重要。本文抛弃了传统的稳态模型稳态风速入口模拟方法，致力于找出一种更符合大气边界层湍流脉动风场的瞬态模拟方法，主要工作有：1.首先探索开源CFD平台OpenFOAM的基本应用，通过对入流边界条件对钝体绕流计算的影响入手，采用稳态模型和稳态风速入口既得到了入流边界条件对钝体绕流模拟影响的基本规律，揭示了稳态模拟方法的不足，同时通过对比分析验证了开源软件OpenFOAM的适用性和准确性。2.大气边界层湍流入口生成问题一直是CFD研究的大问题，本文深入综述了结构风工程中模拟大气边界层湍流风场的各种方法与研究进展。详细给出了KS法和VM法的理论实现过程和

4、其中重要参数的讨论。3.采用OpenFOAM语法自编程序将KS法和VM法集成到其边界入口条件库中。通过LES空风洞模拟，验证了两方法入口的平均风速特性、湍流度特性和功率谱特性与大气边界层风场特性符合得较好。4.采用VM法入口边界条件模拟了低矮剖屋面的风荷载特性并与权威风洞试验数据进行对比。最后讨论分析了现有随机脉动风速入口在CFD计算中存在的主要问题和研究前景。关键词：大气边界层，随机脉动风场，涡方法，OpenFOAM，KinematicSimulation，I英文摘要ABSTRACTTurbulentinflowboundaryconditionsisoneoft

5、hemostimportantfactorofthewindloadnumericalsimulationonstructures.Theactualwindfieldneedstomeetcertainconditionsofturbulentintensityandpowerspectrumcharacteristics,andtherearesometurbulencestructures.ThesteadystatesimulationRANSmodelscanonlybeconvertedtoturbulentkineticenergyanddissipa

6、tionratethatunabletosimulateturbulentstructures.InLESsimulationneedsthewindvelocityfieldmeettheturbulenceintensityandpowerspectrumcharacteristicswhichisveryimportantforjudgingbuildingstructuralloadandtheeffectofthedifferences.Thispaperabandonsthetraditionalsteady-statemodeltofindoutain

7、stantaneoussimulationmethodwhichcanbemoresimilartotheAtmosphericBoundaryLayerwindfield.Mainworksincludes:①ExplorethebasicapplicationsofopensourceCFDplatformonOpenFOAM.Byusingthesteadystatemodelandsteadywindspeedentranceonasquarebluntsimulation,findsouttheinfluenceofdifferentinflowbou