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1、考虑脉动风和耦合效应的高层建筑结构风振CFD数值模拟 硕士学位论文考虑脉动风和耦合效应的高层建筑 结构风振 CFD 数值模拟CFD NUMERICAL SIMULATION OF WIND-INDUCED VIBRATION CONSIDERING COUPLING EFFECT AND FLUCTUATING WIND FOR HIGH-RISE BUILDING STRUCTURE蔡洪昌哈尔滨工业大学 2012 年 6 月国内图书分类号:TU311.3/O351.2 学校代码: 10213 国际图书分类号:624密级:公开工学硕士学位论文考虑脉动风和耦合效应的高层建筑 结构风振 CFD 数
2、值模拟硕士研究生:蔡洪昌 导 师:肖仪清 教授 申请学位:工学硕士 学科:土木工程 所 在 单 位:深圳研究生院 答 辩 日 期:2012 年 6 月 授予学位单位:哈尔滨工业大学Classified Index: TU311.3/O351.2 U.D.C: 624Dissertation for the Master Degree in EngineeringCFD NUMERICAL SIMULATION OF WIND-INDUCED VIBRATION CONSIDERING COUPLING EFFECT AND FLUCTUATING WIND FOR HIGH-RISE BUIL
3、DING STRUCTURECandidate: Cai Hongchang Supervisor: Prof. Xiao Yiqing Academic Degree Applied for: Master of Engineering Speciality: Civil Engineering Affiliation: Shenzhen Graduate School Date of Defence: June, 2012 Degree-Conferring-Institutio: Harbin Institute of Technology 哈尔滨工业大学工学硕士学位论文 摘 要 近年来
4、,超高层建筑大量涌现,其结构具有高、细、柔的共性,使其在风荷载作用下的流固耦合效应十分明显,同时风敏感结构受脉动风影响也是不可或缺,因此研究湍流脉动入口的加入和结构与风场的耦合效应具有一定的理论研究价值和应用前景。本文采用 CFD 数值模拟方法,探索了湍流脉动入口在 CFX 流体分析软件上的加入,并将研究结果用于高层建筑结构的绕流分析和流固耦合分析。本文的主要研究内容如下:1 CFD 脉动来流湍流边界条件的实现:首先,基于 AR 法和 Karman谱生成脉动风速时程;然后,在 CFX 前处理模块中编写关于脉动风时程序列的函数和表达式;最后,监测入口处和风场中测点的风速时程来验证脉动入口的加入。
5、2 高层建筑结构刚性模型的绕流分析:基于 CFX 流场分析平台,采用 LES 湍流模型,对简化的超高层建筑刚性模型在 6 种不同入口条件下分别进行数值模拟计算;分析了结构表面及风场中的风压分布特性及漩涡脱落情况,进一步分析了结构表面测点的平均风压系数、脉动风压系数以及气动力特性随入口条件的变化规律。3 高层建筑结构等价气弹模型的流固耦合分析:基于 CFX+Workbench实现了模拟风场与高层建筑结构等价模型的双向流固耦合,采用 LES 湍流模型,对简化的超高层建筑等价气弹模型在 5 种不同入口条件下分别进行数值模拟计算;分析了风场及结构表面的风压和涡量等值线分布特性以及结构的振动位移特性;进
6、一步研究了脉动风对流固耦合作用的影响和耦合效应对结构气动力特性的影响。关键词:高层建筑结构;CFD 数值模拟;脉动风;流固耦合;绕流- I- 哈尔滨工业大学工学硕士学位论文 Abstract In recent years, large numbers of high-rise building structure has appeared.Their structures has a common characteristics with high, thin and soft which makes the fluid-structure interaction effect very o
7、bvious under the wind load and the effects of the fluctuating wind on the wind-sensitive structures are also essential. Therefore, there are some theoretical research value and application on study the entrance of turbulent fluctuation and the coupling effect between the wind field and building stru
8、cture. The method of CFD numerical simulation is employed in present paper to explore adding the turbulent fluctuation entrance on the CFX fluid analysis software. Moreover, the research results are employed to analyse the flow around and fluid-structure interaction of the high-rise building structu
9、re.The main contents are included as follows: Firstly, the achieve of a turbulent fluctuation on inflow boundary condition: at first, generate the fluctuating wind time-history based on the AR method and Karman spectrum; then, compiled the function and expression about the fluctuating wind time-hist
10、ory in CFX pre-processing module; at last, monitor the wind speed time-history of the monitoring points on the entrance and in the wind filedSecondly, the analysis of wind flow around the rigid model of high-rise building structure: based on the CFX flow field analysis platform and used the LES turb
11、ulence model to simulate the flow around of the simplified model of the high-rise building at six different kinds inlet boundary condition. Analysis the law of wind pressure distribution on the surface of structure and in the wind field. Furthermore, study the variation law about the average and flu
12、ctuating wind pressure coefficient at the monitoring points which on the structure surface and the aerodynamic characteristics with the variation of the inlet conditions and highThirdly, the analysis of fluid-structure interaction between the wind field - II- 哈尔滨工业大学工学硕士学位论文 and the elastic model of
13、 high-rise building structure: using the LES turbulent model, finish the numerical simulation of fluid-structure interaction between the wind field and the simplify aeroelastic model of the high-rise building in five different inlet conditions based on the CFX and Workbench softwaresAnalyses the cha
14、racteristics of wind pressure and vorticity contours on the surface of the structure and in the wind field, and also the displacement characteristics at different hight of the structure. Furthermore, study the influence of the fluctuating wind to the fluid-solid coupling process and the coupling eff
15、ect to the aerodynamic characteristics at different hight of the structure Keywords: High-rise building structure,CFD numerical simulation, Fluctuating wind, fluid-structure interaction, flow around- III- 哈尔滨工业大学工学硕士学位论文 目 录 摘 要I ABSTRACTII 第 1 章 绪 论 1 1.1 课题来源及研究的目的与意义. 1 1.2 国内外的研究现状与发展趋势. 2 1.2.1
16、 高层建筑结构风致振动研究方法. 2 1.2.2 高层建筑风致振动耦合效应的研究 3 1.3 本文主要研究内容5 第 2 章 CFD 脉动来流湍流边界层的生成 7 2.1 引言. 7 2.2 来流脉动风的生成7 2.2.1 脉动风时程的生成与验证 9 2.2.2 不同入口之间脉动风时程的相关性分析13 2.3 湍流脉动入口的加入14 2.4 脉动入口加入的验证16 2.5 本章小结 19 第 3 章 高层建筑结构刚性模型绕流模拟. 20 3.1 引言20 3.2 LES 方法模拟绕流的准确性验证 20 3.2.1 数值计算模型及其设置21 3.2.2 风压系数的验证. 23 3.3 结构刚性模
17、型绕流模拟24 3.3.1 数值计算模型及其设置24 3.3.2 流场绕流模拟结果分析26 3.3.3 风场中测点的风速数值模拟结果分析 32 3.3.4 结构表面测点风压系数研究 38 3.3.5 升力系数特性研究 44 3.3.6 阻力系数特性研究 48 - III- 哈尔滨工业大学工学硕士学位论文 3.4 本章小结 50 第 4 章 高层建筑结构气弹模型流固耦合模拟 52 4.1 引言52 4.2 LES 方法模拟流固耦合的准确性验证. 52 4.2.1 流固耦合过程的实现52 4.2.2 数值计算模型及其设置53 4.2.3 结构顶部横向位移的校核. 56 4.3 结构等价气弹模型的流
18、固耦合模拟. 57 4.3.1 数值模拟结果分析 57 4.3.2 脉动风对结构位移的影响. 66 4.3.3 耦合效应对结构气动力特性的影响. 68 4.4 本章小结 72 结 论73 参考文献. 75 哈尔滨工业大学学位论文原创性声明及使用授权说明. 79 致 谢80 - IV- 哈尔滨工业大学工学硕士学位论文 第1章 绪 论 1.1 课题来源及研究的目的与意义 本课题来源于国家自然科学基金青年基金项目“高层建筑风致振动耦合效应的数值模拟与实验研究”(项目批准号:51008103)。 随着我国经济的飞速发展,城市建设用地的急剧减少,使得高层建筑及超高层建筑成为必然的选择。城市经营的多元化也
19、需要超高层建筑成为城市的标杆,很多城市更是把有超高层建筑视为成为大城市的标准之一。在最近20 年以来我国长三角和珠三角等发达地区涌现了一大批超高层建筑,上海有420.5m 的金茂大厦、467.9m 的东方明珠广播电视塔、492m 的上海环球金融中心;深圳有 384m 高的地王大厦、438.6m 的京基金融大厦和在建的 646m的平安国际金融中心;广州有 391m 的广州中信广场、440.7m 的广州国际金融中心和 610m 的广州新电视台。据摩天城市网统计中国现有摩天大楼(按美国标准指 152m 以上的建筑)数量已经超过 200 座,和美国目前的摩天大楼数量相持平,并且以每隔五天封顶一座摩天大
20、楼的速度在建设中,预计在五年后将要达到 800 座。 建筑高度越高其受风作用的影响就越大,当其超过一定的高度,风荷载就成为结构的控制荷载。摩天大楼共同的特点是高、细、柔,抗侧能力差,受风作用影响极其敏感。然而,多数的高层和超高层建筑位于我国经济发达的沿海地区,这些地区又是台风多发地带,因此研究风对高层建筑的影响是必要的。当高层建筑在大风作用下,其顶部会产生较大的位移和加速度,陈1晓桐 采用 AR模拟方法来模拟出深圳京基金融大厦的 28条脉动风荷载时程样本并在 Matlab 中对其进行 500s 的时程仿真计算,得到结构的顶点位移和2加速度分别为 0.305m 和 0.352m/s ,其加速度值
21、超出了最大加速度限值22 30.25m/s ,不满足舒适度的要求。付以贤和田玉基 通过风洞试验和现场实测得出在建筑物流场分离较大区域的脉动风荷载可以达到平均风荷载的 4 倍4以上。Alexandre 和 Armando 通过 CFD 数值模拟方法考虑了结构和流场之间的耦合作用,所得到的流场特性以及结构表面的平均风压系数与实验测量结果相近,并且比不考虑气弹效应模拟的要精确。由此可得,研究风尤其是考虑脉动风对高层建筑的影响以及高层建筑的变形对流场的影响是很有意义的,它关系着高层建筑结构的安全性和居住者的舒适性,它还可以为超高层- 1- 哈尔滨工业大学工学硕士学位论文 建筑的抗风设计提供服务和对实际
22、的超高层建筑进行危险性评估分析。总而言之,用 CFD 数值模拟技术来研究这一问题具有很好的应用前景和一定的新颖性。 1.2 国内外的研究现状与发展趋势 1.2.1 高层建筑结构风致振动研究方法 风工程经过半个多世纪的发展,已经形成了一个比较系统的体系。目前研究高层建筑结构风致振动主要有理论分析、现场实测、风洞试验和数值模拟四种方法。 理论分析是以结构动力学和结构随机振动为理论基础,对复杂的实际问题作出合理假定和简化,求解出结构的风荷载及其振动响应。对高层建筑结构和高耸建筑结构的抗风设计计算已经很成熟并形成了相应的规范,但是对于结构形式比较复杂的建筑误差太大,需要借助风洞试验和现场实测来进行53
23、07-308计算。如上海东方电视塔的工程实例 需要通过风洞实验得到体形系数5362-363等值,中国海洋石油大厦计算实例 按照规范求得基底弯矩和基底剪力比风洞试验值分别大 40%和 20%。 现场实测是获得结构风致振动响应特性最可靠的方法,它虽然耗费大量的人力和物力,但由于它获得结果的真实性而倍受青睐。现场实测主要是利用风速仪、加速度计和拾振器等仪器对风环境及结构响应进行测量,获得所需要的风特性和结构响应特性。实测仪器大多放在建筑物上,可以测的建筑表面附近的风情况,但是不能得到整个高层建筑结构风场的信息。 风洞试验是结构抗风研究中最主要的方法,它按照一定的相似准则模拟出大气边界层风场环境及其建
24、立结构的缩尺模型,来研究结构模型的风致振动情况,进而推算出实际结构的风致效应。经过数十年的发展,土木工程结构模型的风洞试验技术逐渐成熟,并已解决了大量的工程问题。但风洞试验方法目前还存在很多重要问题,如大气边界层风场模拟(特别是紊流尺度的模拟);绕流流动的脉动特性;雷诺数相似等等。 数值模拟在风工程上应用称为计算风工程。其核心内容是计算流体动力学CFD,它是把流动所遵循的流体动力学方程在计算机上进行数值求解,并借助计算机图形学技术把流场信息形象表达出来的一种方法,也称为“数值风洞”。与风洞试验进行比较,它的优越性体现在可以建立足尺模型,避免了风洞试验缩尺模型带来的误差;它还可以模拟整个结构风场
25、的特性,快速- 2- 哈尔滨工业大学工学硕士学位论文 便捷的输出图形结果;花费少,效率高等等。近年来,随着高性能计算机的出现和数值计算方法的不断完善,CFD 数值模拟方法越发凸显优势。目前,数值风洞在国际上处于起步阶段,也是在结构风工程中极具潜力的研究方法。因此利用数值模拟的方法来研究高层建筑结构风致振动耦合效应具有很大的现实意义。 1.2.2 高层建筑风致振动耦合效应的研究 空气的流动形成风,当空气流遇到结构的阻塞时,在结构的边缘就形成51 高压气幕 ,风速愈大,对结构产生的压力也愈大,从而使结构产生大的变形和振动。当结构的变形达到足以改变风场对结构的作用时,要考虑结构和风场之间的相互作用,
26、即流固耦合作用。由漩涡脱落引起的涡激振动是风工程中非常经典的流固耦合问题。超高层建筑的涡激振动分为两种,一种是窄带随机振动,涡脱干扰力起控制作用;另一种是共振锁定时的简谐振动,自激振动力起控制作用;风洞试验结果显示后者的振动情况要比前者大的多6,7 8。Far 和 Zan 采用修正后的尾流阵子模型来研究涡激振动随质量-阻尼比的变化,通过实验方法验证了它预测的振动特性是符合精度的要求,且它可9以适用于任何质量-阻尼比的情况。Thea 和 Kwok 对 CAARC 标准高层建筑在两个轴向来风情况下的流固耦合问题进行风洞试验研究,还考虑了风致扭矩频率和结构固有频率的比值对结构振动的影响,当两个频率相
27、近时,观测10到了共振对结构响应得放大作用,即锁定现象。沈世钊和武岳 对单向大跨度屋盖膜结构进行 CFD 数值模拟和风洞试验研究表明,考虑耦合作用的弹性模型的风振位移响应要比不考虑耦合作用的刚性模型位移小 30%;孙芳锦等11人 研究结果表明考虑强耦合作用的风振系数、位移等参数与风洞试验结果相符合,同样得到考虑耦合的风致位移要比不考虑耦合的小;可见结构流体间的耦合作用是研究风敏感结构振动特性不能忽略的一个因素。因此研究超高层建筑结构的风致振动特性时,考虑结构流场之间的耦合作用是必要的。 文献12-17用数值模拟的方法对矩形柱体进行涡激振动的研究,观察到了漩涡脱落模式随雷诺数的变化而变化以及锁定
28、现象,还统计了它的升力系14数时程和柱体的横风向位移时程来研究柱体的振动特性。Hiroto 采用LES方法亚格子尺度模型对高宽比为4:1的方柱进行绕流模拟,得到折减风速与横风向位移时程和气动力系数的关系图,与风洞实验模拟结果很接近。陈善群16和王泽 采用LES方法和两种雷诺平均N-S方程的模型对方柱绕流进行了三维湍流数值模拟,研究发现大涡模拟方法与实验结果最接近。可见,大涡模- 3- 哈尔滨工业大学工学硕士学位论文 拟不但能够满足工程的精度要求,而且要比其它湍流模型精度更高。18Alexandre 和Armando 对CAARC标准高层建筑模型采用分段式的耦合模型来考虑结构与其周围流场的耦合作
29、用,得到结构的横风向位移随折减风速的变化关系,并与风洞试验结果进行比较,可知模拟结果满足工程要求。19Huang 基于Fluent软件平台,采用LES方法中的SGS模型对雷诺数(Re)大5于10 风场中的标准高层建筑模型进行数值模拟,与风洞试验结果比较证明这种方法可以得到准确的平均风压系数和合理的脉动风压系数和谱密度;郭增20涛 使用ANSYS的多场求解器MFX联合ANSYS与CFX对CAARC弹性模型在风场中的响应进行模拟,模拟出该模型顶点x方向位移时程曲线,得到较理想的结果;还对无锡茂业城采用ANSYS MFX和在ETABS下运用规范的方法进行位移响应的研究,对比结果表明考虑流固耦合效应的
30、位移要大于规范方法计算得到的位移。可见,现有对高层建筑进行的流固耦合数值模拟研究,均可得到满足要求的结果,但研究中均未在入口处考虑脉动风的影响,这不符合大气边界层的实际风场特性。 风是由平均风和脉动风两部分组成,平均风通常用指数率或对数率来表示,脉动风则通过湍流强度、湍流积分尺度和功率谱密度函数来表征;在研究结构受风荷载作用时,通常需要人工模拟生成脉动风。人工生成脉动风的21方法主要有谐波合成法、线性滤波器法和小波分析等方法。韩艳和陈政清采用小波逆变换的方法模拟了具有自然脉动风特性的间歇性和局部相似性的22脉动风,陈艾荣和王毅 基于模拟了与Kaimal谱一致的苏通桥某点的纵向脉动风速,得到的脉
31、动风谱与目标风谱相吻合,验证了小波方法模拟脉动风的23有效性。赵超和黎景宇 采用谐波合成法模拟了某斜拉桥主梁的水平脉动风速时程样本,其模拟精度、速度和稳定性均可满足工程需要。李锦华和李春24祥 采用改进的谐波合成法模拟脉动风,具有很好的精度,计算效率比传统25的谐波合成法有了较大的提高。董军 采用时间序列分析中AR模型方法,实现了考虑空间相关性影响的高层建筑水平脉动风压时程模拟。陈晓桐和卜26国雄 采用线性滤波法中的AR自回归模型,模拟了该结构具有随机性、时间相关性、空间相关性的51条顺风向脉动风荷载时程样本,并对结构进行了27风振响应分析。陈俊儒和吕西林 采用AR模型的线性滤波法对上海中心大
32、厦场地的脉动风速时程进行数值模拟,验证了AR模型模拟高层建筑脉动风速时程的可行性。可见,脉动风荷载的模拟技术已经相当成熟,已有部分学者1将模拟的脉动风和时程分析相结合求得结构的风致振动响应:如陈晓桐 采用AR模拟方法来模拟脉动风荷载并求出深圳京基金融大厦的顶点位移和加- 4- 哈尔滨工业大学工学硕士学位论文 28速度;葛楠 等人利用人工生成脉动风的方法对某一结构进行风振响应分析,得到其位移、速度和加速度的均方根值,经比较发现谱分析的结果与时29程分析的结果相吻合;甘进等人 编制脉动风荷载的计算程序, 模拟得到了作用在观光塔上的10条脉动风荷载时程样本,采用时程分析方法计算了该塔的风振动力响应。
33、虽然他们都把考虑脉动风影响的风荷载直接加到结构上,但没有考虑结构变形对风场及风荷载的影响,因此与实际情况也有一定的差距。 高层建筑结构在大气边界层内考虑脉动风影响的流固耦合效应的CFD数值模拟呼之欲出。CFD三维湍流数值模拟的方法有直接数值模拟DNS、大30涡模拟LES和Reynolds平均法三种。徐枫 对地王大厦进行了脉动风压的数值模拟与分析,采用为对AR模型生成的脉动风并进行无散修正后作为LES方法的入口边界条件。对流场中的测点进行风速时程和脉动风速谱进行观测,可知该方法可以实现湍流脉动入口的生成和输入,且保持了脉动风和平均风的特性。但在对地王大厦进行流固耦合分析时,入口条件采用的是平均风
34、剖31面。张世宇 在对某一高层建筑进行流固耦合研究时也采用的指数率风速剖面。可见,现在的研究主要集中在两个方面,一为采用指数率风速剖面研究高层建筑结构流固耦合作用,二为用人工方法生成脉动风时程直接作用在高层建筑结构上求得风荷载而不考虑风致振动耦合效应,但是对高层建筑结构进行既考虑脉动风又考虑风致振动耦合效应的数值模拟研究则相对较为少见。 1.3 本文主要研究内容 本文基于 CFX 软件建立一个具有脉动特性的数值风洞,并将该成果用于研究高层建筑结构刚性模型的绕流模拟以及高层建筑结构气弹模型与风场的耦合过程,具体工作如下:1 CFD 来流湍流边界条件的实现:基于 AR 法,采用随高度变化的Karm
35、an 谱生成符合实际的脉动风时程;然后,在 CFX 前处理模块中编写脉动风时程序列的函数和表达式,实现脉动入口的加入;最后通过监测入口处和风场中测点的风速时程来验证脉动入口的加入。2 高层建筑结构刚性模型的绕流分析:基于 CFX 流场分析平台,采用LES 湍流模型,对简化的超高层建筑刚性模型在指数平均风速剖面和考虑脉动风的来流的流场风别进行数值模拟;在对风场的风速、风压、涡量等风场特性以及结构的气动力特性进行分析;并对是否考虑脉动风的两种情形进行- 5- 哈尔滨工业大学工学硕士学位论文 对比分析。3 高层建筑结构等价气弹模型的流固耦合分析:基于 CFX+Workbench实现风场结构的双向耦合
36、,采用 LES 湍流模型,对简化的超高层建筑等价气弹模型在常态风和大风的作用下进行数值模拟,分析风场的风速、风压及漩涡脱落特性和结构的气动力、位移特性;还研究了脉动风对结构耦合振动位移的影响以及耦合作用对高层建筑结构模型不同高度处的升阻力系数的影响。- 6- 哈尔滨工业大学工学硕士学位论文 第2章 CFD 脉动来流湍流边界层的生成 2.1 引言 自然界中的流体流动的状态主要有两种形式,即层流laminar和湍流turbulence。层流是指流体在流动过程中上下两层之间互不影响,流动状态不随时间而改变;湍流也被称为紊流,流动状态没有分层现象且流动状态是时刻变化的。近地大气层是由湍流层和平流层组成
37、的,湍流层一般指从地面到一定高度范围内,在其内的平均风速随着高度近似呈指数分布或者对数分布;平流层是指该高度以上的所有大气层,在该层内空气的运动特性是一致的。湍流是具有十分复杂的非线性运输性质的多尺度的不规则运动,对于简单的湍流问题可以运用理论分析的方法近似得到它的流动特性,对于预测实际的湍流问题主要采用数值模拟和物理实验方法。随着计算机和 CFD 技术的飞速发展和不断完善,使数值模拟方法研究湍流问题变得更加方便。 现有的三维湍流数值模拟方法主要有三种:直接数值模拟DNS、雷诺平均模拟和大涡模拟LES。直接数值模拟方法需要巨大的计算机内存,目前还只能计算雷诺数较低的比较简单的湍流运动。雷诺平均
38、方法是工程中应用最广泛的一种方法,它将流动的质量、能量和动量输运方程进行统计平均后建立模型,它只提供湍流的平均信息,不能捕捉到湍流的脉动信息,因此对考虑脉动影响的流体该方法是不适用的。LES 方法可以模拟较高雷诺数和比较复杂的湍流运动,还能够比雷诺平均方法获得更多的湍流信息。LES 方法32-35是目前 CFD 研究和应用的热点之一 ,它的主要思想是:对于大尺度湍流直接进行数值求解,对小尺度湍流脉动建立模型。采用 LES 方法来模拟近地湍流边界层,主要目的是来研究湍流流动的脉动影响,固在模拟近地风场的时候要考虑脉动风的影响。本章主要的工作就是把用 MATLAB 生成的具有 Karman 特性的
39、脉动风速时程加到流场的入口边界条上,从而模拟出真实的大气湍流边界层。 2.2 来流脉动风的生成 近年来,随着计算机的发展,使 CFD 技术应用于建筑物抗风领域变的可行。在进行计算时,建筑物所受的脉动阻力及升力等气动力随着周围流场的- 7- 哈尔滨工业大学工学硕士学位论文 36变化而变化,且流场模型受来流气流特性的影响很大 。在城市内建筑周围的流场处于大气边界层中的湍流层,需要采用 LES 方法来对非定常流场进行流体计算,由于 LES 的计算结果受来流边界条件的影响较大,可见生成目标来流脉动风的重要性。因此,在本文中尽可能地以实际大气湍流边界层气流特新性的脉动风作为入流条件来进行计算。基于 Ko
40、lmogorow 理论,国内外学者提出了各种形式的水平脉动风速功率谱,其中以 Karman 谱、Davenport谱、Harris 谱和 Simiu 谱为代表。为了使模拟的近地大气边界层更符合实际的湍流边界层,采用沿高度变化的 Karman 谱去生成脉动风时程,其水平脉动风功率谱表达式如式 2-1 所示。 xnLu4nS z,n Vu z 2-1 2 5xnL2uu 6170.8 Vzxf ?nL V式中 ?莫宁坐标; u z n?频率; 2?纵向脉动速度的均方值; ux L ?纵向湍流积分尺度; u V ?Z 高度处的平均风速; zS z,n?纵向湍流功率谱 u图 2-1 流场模型示意图 -
41、 8- 哈尔滨工业大学工学硕士学位论文图 2-2 流场入口示意图 36脉动风的生成方法大体上可以分为两种类型 ,一是使用随机数来人工生成随机数据的方法,二是通过流体计算来直接计算来流的方法。本文中采用的是第一种方法,由于线性滤波法中的自回归AR模型计算量小、计算速度快,且在脉动风场模拟中得到广泛应用,故采用 AR 法来生成所需要的脉动风速时程,其中 AR 模型的阶数为 4 阶。为了方便加入脉动风时程,把入口分为 30 个子入口,风场及入口示意如图 2-1 和 2-2 所示。 2.2.1 脉动风时程的生成与验证 基于 Karman 谱,采用 Matlab 编程生成 30 个子入口中心点处的脉动风
42、时程,按照按照建筑结构设计规范深圳地区 D 类地貌,设计基准期为 50年的基准风速来确定指数风速剖面。取时间步长为 0.04s,总时间为 200s,得到每个子入口中心点处的平均风速和湍动强度与目标值的对比如图 2-3 和图2-4 所示。从图 2-3 中可以看出在同一高度处各入口中心点的平均风速并不相等,证明了生成的脉动风并非严格意义上的零均值,但总体来看符还是比较理想的;从图 2-4 中可以看出湍流强度是随着高度的减小而逐渐增大的,湍流强度在 25m 高度处子入口中心点的值均稍小于目标值,但偏差值不大,在200m 以上高度处子入口中心点出的湍流强度与目标值的偏差在5%以内,可见模拟效果良好。
43、- 9- 哈尔滨工业大学工学硕士学位论文 400 400目标值目标值350 350模拟值模拟值300 300250 250200 200150 150100 10050 500 020 30 40 50 60 10 15 20 25 30 35速度m/s 湍动强度%图 2-3 平均风速沿高度变化 图 2-4 湍流强度沿高度变化 130 10标准Karman谱模拟谱2001010-1100-10-210-20-310 -30 -4 -3 -2 -1 00 50 100 150 200 10 10 10 10 10时间s n/v10a 风速时程 b 脉动风速谱 图 2-5 入口 1 对应的脉动风速
44、时程及脉动风速谱 130 10标准Karman谱模拟谱2001010-1100-210-10-310-20-4 -3 -2 -1 00 50 100 150 200 10 10 10 10 10时间s n/v10a 风速时程 b 脉动风速谱 图 2-6 入口 7 对应的脉动风速时程及脉动风速谱 - 10- 高度m速度 速度m/s m/s2 2高度mnS n/ nS n/u u哈尔滨工业大学工学硕士学位论文 130 10标准Karman谱模拟谱2001010-1100-10-210-20-310 -30-4 -3 -2 -1 00 50 100 150 200 10 10 10 10 10时间s
45、 n/v10a 风速时程 b 脉动风速谱 图 2-7 入口 13 对应的脉动风速时程及脉动风速谱 130 10标准Karman谱模拟谱2001010-1100-10-210-20-310-30 -4 -3 -2 -1 00 50 100 150 200 10 10 10 10 10时间s n/v10a 风速时程 b 脉动风速谱 图 2-8 入口 19 对应的脉动风速时程及脉动风速谱 130 10标准Karman谱模拟谱2001010-1100-210-10-310-20-4 -3 -2 -1 00 50 100 150 200 10 10 10 10 10时间s n/v10a 风速时程 b 脉动风速谱 图 2-9 入口 25 对应的脉动风速时程及脉动风速谱 - 11- 速度速度 m/s 速度 m/s m/s22 2nS n/ nS n/ nS n/?u u u哈尔滨工业大学工学硕士学位论文 130 10标准Karman谱模拟谱2001010-1100-10-210-20-310-30-4 -3 -2 -1 00 50 100 150 200 10 10 10 10 10时间s n/v10a 风速时程 b 脉动风速谱 图 2-10 入口 30
