基于谐波合成法的大涡模拟脉动风场生成方法研究.docx

基于谐波合成法的大涡模拟脉动风场生成方法研究摘要：为准确模拟大涡模拟入口处的脉动信息在充分考虑脉动风场的功率谱、相关性、风剖面等参数前提下运用谐波合成方法生成了满足目标风场湍流特性的随机序列数通过对FLUENT软件平台进行二次开发将生成的随机序列数赋给大涡模拟的入口边界从而实现了大涡模拟的脉动输入.基于风洞试验数据分别建立了两种模拟脉动风场的数值模型一为没有任何障碍物的空风洞运用谐波合成方法生成的随机序列数作为入口边界来生成脉动信息；二为与真实风洞一致的尖劈粗糙元风洞采用平均风作为入口边界利用尖劈粗糙元对风场的扰动来产生脉动信息.通过对比两种数值模型发现：基于谐波合成方法生成的脉动风场可作为大涡模拟的入口边界可为大涡模拟脉动入口研究提供参考.关键词：大涡模拟；谐波合成；数值模拟；脉动风场中图分类号：O35文献标识码：A文章编号：1674-2974（2015）11-0064-08大涡模拟在计算资源与计算效率方面是雷诺时均模拟（RANS）和直接模拟（DNS）的折中集成了二者优势因此在CFD模拟方面得到了广泛应用.但在实际运用过程中大涡模拟入口边界处的脉动信息给定问题还没有得到完全解决[1].目前许多学者直接将均匀来流赋给入口边界没有考虑脉动信息的作用.而在实际风场中来流脉动对结构的脉动风压和瞬时风荷载起着非常重要的作用[2]有着不可忽略的地位.因此非常有必要在大涡模拟过程中考虑脉动信息的影响.针对大涡模拟脉动入口研究方法可以将其分为三类[3]第一类为“预前模拟法”是运用一个预前模拟区域将目标风场预先模拟出来然后赋给主模拟区域的入口边界.朱伟亮等[2]在预前模拟区域用流场循环的方法生成了脉动风场并对钝体平面屋盖的结构风压进行了模拟这种脉动风场生成方法的不足之处是需要生成匹配的数据库会消耗巨大的内存和计算时间.序列合成法的另一种储存形式是用空间序列储存Chung[4]利用泰勒方法协调了预前模拟方法两个计算域之间的离散差异性对槽道流进行了模拟运用该方法的缺点是不同时刻的速度不能严格的由泰勒级数展开来获取因此插值的效果不佳.第二类方法为涡方法针对涡方法的研究Mathey等[5]人用一系列的二维随机漩涡加载到平均风场中去从而得到脉动风场这种方法生成的脉动风场虽然具有较好的空间相关性和湍动能信息但不足之处是目标风场很难满足风场各向异性目标谱的要求.第三类方法为序列合成法序列合成法是运用傅里叶变换的方法来生成脉动风速时程.2002年Hanna等[6]人提出了一种简单的各向异性湍流脉动生成方法生成了随机正态序列数它是假设在顺风方向和垂直方向的脉动均方根和平均速度有不同的比例然后通过加权得到脉动信息这种方法的不足是缺少了雷诺应力信息同时湍流也会很快衰减.此后2006年Kondo[7]等提出了动态湍流输出方法但这种方法不能满足目标谱的需求.2008年Xie和Castro[8]用雷诺应力的垂向分布构造出了脉动速度分量得到的脉动量满足湍流的基本特性并具有雷诺应力信息但是生成的湍流在入口处并不满足连续性的需求需要经过很长时间的发展才能形成真正的湍流.后来HemonandSanti[9]Huang等[10-11]也针对大涡模拟的入口脉动边界做出了相关研究得到了不错的计算结果.本文借助于经典的谐波合成方法在充分考虑湍流的平均风剖面、目标谱、空间相关性等指标下合成一系列的随机序列时程数据把生成的时程数据与大涡模拟的入口建立对应关系基于对FLUENT软件平台进行二次开发把生成的随机序列数赋给大涡模拟的入口边界从而生成入口脉动信息.最后通过对比数值模型和风洞试验结果发现：基于谐波合成的脉动信息生成方法能满足大涡模拟入口边界的要求其优势在于目标谱及相关性参数能根据不同情况的需要进行随意调整合成的时程数据可直接赋给入口边界生成速度快模拟时间长短可以随意控制模拟的点都相互独立可以很好地进行并行计算大大提高计算效率.1数值模拟理论与方法在充分考虑脉动风场的平均速度、功率谱、相关性、时间步长等参数后基于谐波合成理论用MATLAB对风速时程数据进行合成生成满足目标风场的随机序列数.然后将生成的随机序列数与入口网格在时间和空间上建立对应关系时间上要满足时间步长的一致保证谐波合成风速与大涡模拟风速在时间上的同步.空间上要对入口网格坐标进行严格控制将模拟点的速度时程赋给对应的入口网格中心点整个过程用UDF程序编制对FLUENT软件用户自定义模块进行加载重新定义入口速度从而实现大涡模拟入口脉动信息的输入.2大涡模拟入口脉动风场特性分析为验证本文入口处脉动信息输入的正确性建立了一空风洞数值模型里面没有任何障碍物具体尺寸为15m×2.