基于LES 模型的近地脉动风场数值模拟
两个相邻建筑物周围风环境的数值模拟
收稿日期:2001212226;修改稿收到日期:20022062271基金项目:西安交通大学“行动计划”环境学科重点资助;西安交通大学博士学位论文基金(D FXJTU 200127)资助项目1作者简介:张爱社3(19692),男,博士生1第20卷第5期2003年10月 计算力学学报 Ch i nese Journa l of Com puta tiona l M echan icsV o l .20,N o .5O ctober 2003文章编号:100724708(2003)0520553206两个相邻建筑物周围风环境的数值模拟张爱社3, 张 陵, 周进雄(西安交通大学建筑工程与力学学院,陕西西安710049)摘 要:高层建筑物及其群体周围所引起的风环境问题正日益受到人们的重视。
本文用数值模拟方法对两幢串列布置高层建筑周围的流场进行了模拟,讨论了建筑物高度、间距比等因素对风环境特性的影响。
为了与两个相邻建筑物的流场进行比较,本文同时计算了单个建筑物周围流动的分布情况。
数值模拟结果对揭示高层建筑群区域内再生风载荷的形成机理提供了一定的分析方法,为城市规划和高层建筑住宅小区设计提供了一定的理论参考和依据。
关键词:风环境;高层建筑;N 2S 方程;数值模拟中图分类号:TU 18 文献标识码:A1 引 言风和城市环境、建筑环境有着密不可分的关系,并对城市规划、建筑设计等领域起着很大影响。
随着科技进步和建筑业的发展,高层和超高层建筑的数量日益增多,大城市的建筑密度也越来越大,由此而产生的风环境问题(再生风环境或二次风环境)无法令人忽视。
高层建筑串列布置是规划方案中常用的方式之一,如街道两旁相峙而立的大厦、高层住宅小区多幢相对而立的高层建筑等。
相邻建筑周围的风环境与近地风状况、建筑高度、建筑物之间的相对位置等多种因素有关。
若在规划和设计中忽略了风环境问题,在一般的气候条件下,它们将直接影响着城市环境的小气候和环境给予人们的舒适感;一旦遇到大风,这种影响往往会变为灾害,影响到建筑物本身的某些使用功能和行人、行车安全等方面的问题。
Shapiro台风风场模型及其数值模拟-自然灾害学报
风灾中引起损失最多的是热带气旋造成的灾害 , 其中以台风造成的灾害最为严重。我国东南沿海地区 是世界上台风最集中的地区之一。 1949~ 1990 年登陆中国沿海地区的台风有 462 个 , 平均每年 11 个 ; 登陆 地点集中在广东、 海南、 台湾、 福建和浙江 , 占 90 %
[ 1]
。这些地区也是我国人口最密集、 经济最发达的区域之
2 4 2 -1 - 3
为方位角, 由逆时
- 1
10 m s ; f 为科氏参数 , 单位为 s ; = 1 . 1 ,
2
|u+ c |)
10 ,
= 0 . 04 ; h 为边界 层厚度 , 取 r r r + 1 2 r
2 2 [ 7]
1 000m; F ( c, u )为表面阻力引起的加速度;
为水平拉普拉斯算符,
B 1 /B B [ 8]
( 12 )
式中 P 为距台风中心 r 处的气压 ; P c 为台风中心气压; A 和 B 为决定气压和梯度风径向轮廓线形状的参数, ( 13 )
B
通常认为最大梯度风速半径近似于最大风速半径, 这样由式 ( 12) ( 13) 可得到气压径向梯度分布 r
[ 6]
=
pB Rm ax r r
2 有限差分法
控制方程式 ( 10)是时间和空间坐标的非线性偏微分方程组, 得到解析解很困难 , 可采用数值解法求解。 计算流体力学采用的主要数值方法有 : 有限差分法、 有限元法、 边界元法、 有限分析法、 谱方法等。该模型以 在较短时间内 ( 一小时或更长一段时间 ) 台风结构变化缓慢为前提, 用一些瞬间来代替台风发展不同阶段, 并且各个阶段可以近似认为是稳定状态, 迭代求解。 Shapiro 等人采用截断谱方法 , 本文采用较成熟的有限 差分法求解。 偏微分方程定解问题的数值解法可以分为两个阶段。首先 , 用网格线将连续的定解域划分为有限离散 点集, 选取适当的途径将微分方程及其定解条件转化为网格节点上相应的代数方程组 , 即建立离散方程组。 然后, 在计算机上求解离散化方程组 , 得到节点上的离散近似解。节点之间的近似解 , 一般认为光滑变化 , 可 以采用三次样条插值方法确定。
基于FLUENT的风力发电机流场仿真研究共3篇
基于FLUENT的风力发电机流场仿真研究共3篇基于FLUENT的风力发电机流场仿真研究1随着环保意识的增强和可再生能源的广泛应用，风力发电成为了备受关注的一种清洁能源。
在风力发电机的设计和研发过程中，对其流场特性的研究至关重要。
FLUENT作为一种基于CFD （计算流体力学）的软件，可以用来模拟风力发电机的流场，对其性能进行评估、优化与改进。
风力发电机是一种将风能转换为电能的设备，其主要结构由叶片、轮毂、塔架、发电机等组成。
在风能的作用下，叶片旋转，带动轮毂旋转，进而带动发电机发电。
因此，叶片的aerodynamic design 对风力发电的效率至关重要。
基于FLUENT的流场仿真可以模拟风力发电机的空气流动情况，包括空气流速、压力分布、湍流情况等。
通过分析仿真结果，可以优化叶片的 aerodynamic design，提高风力发电机的效率和输出能力。
风力发电机在不同的气候条件和地形条件下的效果不同。
通过FLUENT的流场仿真，可以对不同环境条件下的风力发电机进行模拟和测试。
同时，在风力发电机的设计过程中，FLUENT可以用来预测其性能参数，包括功率、转速、风速等。
通过不断调整和优化设计方案，可以取得更好的性能表现。
除了叶片设计和性能预测，FLUENT还可以用来研究风力发电机与周围环境的相互影响。
在实际应用中，风力发电机一般建设在开阔的地区，因此其周围环境可能会对其性能产生影响。
比如在高低起伏的地形中，风力发电机的性能可能因叶片在不同高度处风阻不同而受到影响。
通过FLUENT的流场仿真，可以对不同地形条件下的风力发电机进行模拟，了解其周围环境对其性能的影响，进而制定相应的优化措施。
总之，基于FLUENT的风力发电机流场仿真研究可以为风力发电的设计和开发提供重要的支持和指导。
通过精确的流场模拟和优化，可以使风力发电机的性能得到最大化的提高，为可再生能源的推广和利用做出贡献基于FLUENT的风力发电机流场仿真研究是提高风力发电机性能的有效途径。
les湍流模拟的原理
LES湍流模拟是一种计算流体力学方法，用于解决湍流流动问题。
它基于湍流的主要特征，即大尺度涡旋和小尺度湍流结构的分离，将湍流流动分解成大尺度结构的直接数值模拟和小尺度结构的参数化模拟。
其中，小尺度湍流结构的参数化模拟称为子网格模型。
LES模拟的基本原理是通过直接模拟大尺度结构，以较高的空间分辨率解析和模拟大尺度涡旋的动态行为，同时使用子网格模型来近似模拟小尺度湍流结构。
在LES模拟中，通过合理的网格划分和滤波操作，将大尺度流动结构保留在计算区域内，而滤除小尺度流动结构，从而节省了计算资源。
LES模拟的基本步骤如下：1.网格划分：将流动区域划分为合适大小和分辨率的网格单元，以便能够同时捕捉到大尺度结构和小尺度结构。
通常，LES需要细致的网格划分，以确保在计算中能够保留足够的大尺度信息。
2.初始和边界条件：根据实际问题给定适当的初始条件和边界条件，以便LES模拟能够开始计算。
3.时积分和空间滤波：对流动的守恒方程进行时间积分和空间滤波操作。
时间积分一般采用稳定的数值方法，如隐式或半隐式算法。
空间滤波则是通过过滤操作来将小尺度结构滤除，保留大尺度结构。
4.子网格模型：采用合适的子网格模型来描述小尺度结构的演化。
子网格模型是通过对小尺度涡旋进行参数化，以近似模拟其影响。
5.结果分析：根据模拟得到的流场数据进行后处理和分析，如计算平均值、湍流特征参数等。
LES模拟相对于传统的雷诺平均Navier-Stokes（RANS）模拟方法，能够提供更多的湍流流动细节和准确性，尤其适用于对湍流结构演化的详细研究和较大尺度湍流结构的流动特性分析。
然而，由于其较高的计算成本，LES模拟在实际工程应用中常常受到计算资源限制，因此需要根据具体问题的要求来选择合适的数值方法和模型。
基于谐波合成法的脉动风场模拟
基于谐波合成法的脉动风场模拟摘要在建筑结构的现代设计中，抗风设计在建筑安全设计逐渐占有的着越来越重要的地位。
但受困于现有实测数据的局限性，风模拟的重要性日益得到凸显。
本文首先简述了对风的认识、风荷载研究发展历程和风荷载对建筑的影响。
而后概述平均风、脉动风、旋涡等风场基本元素的特性，并且回顾近年来风模拟研究进展，介绍利用谐波合成法进行风的数值模拟的想法。
最后通过对模拟生成数据与现有实测数据的对比，验证了谐波合成法脉动风模拟的可行性。
关键词：风荷载；谐波合成法；脉动风1、绪论1.1、对风的基本认识空气的流动是风形成的本质原因，这是现象是由于太阳热辐射而产生的自然现象。
太阳的热辐射到达地表，使其温度上升高，地表附近的空气受热,因密度变小而上升。
向上的热空气因渐渐变冷密度增大而下落。
由于地表一直接受着太阳的照射，所以温度比高空空气高，它加热的空气又会继续上升，这种原因导致的空气循环就是风形成的本质。
虽然其流动的方向看似确定，但空气移动的速率和方向却是有着随时间、空间的变化而会产生随机性变化的特点。
风的这种特性是可以利用风速剖面、脉动风的湍流强度、湍流积分尺度、湍流功率谱密度函数等随机概率特性进行叙述解释的[1]。
1.2、脉动风模拟研究意义随着经济的飞速发展，生活水平不断提高，多种建筑形式也在不断进入我们的生活。
对于建筑结构提出了更高的要求。
从前的低矮建筑样式在防灾减灾方面主要考虑抗震性方面的因素。
而随着建筑结构向着更高、更大、更复杂的方面发展，对高耸结构、高层建筑结构、大跨度空间结构、高压输电塔线体系等结构的安全性研究就变得日益重要。
从前对于低矮建筑结构的抗灾要求已远远不能满足现今复杂建筑结构的安全需求。
其中风荷载是当今现代高层、复杂的建筑结构体系设计中必需要考虑到的一类非常重要的荷载。
事实上，我们为能计算出正确可靠的结构抗风性能，应该求出结构的反应概率密度分布关于时间变化的过程，并且在实际的大气边界层湍流中，脉动风速不仅随时间改变，而且还具有与空间位置的相关性。
基于三角函数的脉冲型近场地震动的近似模型
基于三角函数的脉冲型近场地震动的近似模型地震波是一个复杂的信号，它由一系列地震源产生，传播至远处，以不同的方式互相影响，然后被观测器捕获。
因此，地震动的研究为解释地震机制提供了重要证据，也有助于发展地震工程的其他应用。
脉冲型地震动是一种能够表达地震机制的特征，可以用于分析地震活动的不同部分，以及理解地震影响的空间格局和随时间变化的规律。
地球物理学家致力于构建脉冲型地震动的近似模型，其中利用三角函数表示瞬变运动的基本特征，以拟合时空上的某些实际记录。
脉冲型近场地震动（PREM）是真实记录的动态分析中常用的模型，它可以在许多不同的研究领域，如大地测量、地震学和地质学中，以及工程应用中，实现地震影响的快速综合。
本文研究了基于三角函数的脉冲型近场地震动的近似模型，主要内容包括：（1）脉冲型地震动的特征；（2）利用三角函数建立模型的原理；（3）脉冲型近场地震动的应用；（4）结论。
首先，脉冲型地震动是一种特殊的地震波，具有高度瞬变的大变速度和大变谱，通过调节采样点数量和谱线可以实现该类地震动的再现。
尤其是在近场地震动中，其变速度和变谱形式更为复杂，其时空特征不容易建模。
其次，基于三角函数的脉冲型近场地震动的近似模型把时空特征用三角函数表示，以解决实际记录中复杂的地震动问题。
在此基础上，调整上升沿和下降沿的时间参数，分别以A和B表示，确定变速度和谱线。
最后，脉冲型近场地震动模型可用于表征和分析地震波组成的时空变化，用于研究地震活动的起源和传播，及地震精细结构的发掘。
此外，这种模型还可以应用于建筑物震动仿真，大地测量分析，以及消除地震波的干扰等工程领域。
综上所述，基于三角函数的脉冲型近场地震动的近似模型可以提供一种有效的解决方案，以表征瞬变运动的基本特征，准确地描述时空上的地震变化。
脉冲型近场地震动模型的应用不仅可以深入解释地震机制的演变，而且在大地测量、地球物理研究、地震工程设计几个领域也有重要的意义。
复杂地形风场多尺度耦合数值模拟研究
第４ ８卷
２ ０ １ ７年第 １ ２期
复 杂 地 形 风 场 多 尺 度 耦 合 数 值 模 拟 研 究
张 少 济 ， ｖ ， 彭 燕祥 ，张
２ ．华北 电力 大 学 动力 工 程及 工程 热 物理博 士后 科研 流 动站 ，北 京 北京
华
４ １ ０ ０ ０ ４ ； １ ０ ２ ２ ０ ６ ；３ ．国家 电力投 资 集 团公 司 ， １ ０ ２ ２ ０ ６ ）
Ｉ ｎ ） ，精 细化 程度 更 高，更加 能 够反 映 出地 形 对风 场 的影 响情 况。
关键 词 ：多尺度耦 合 ；ＷＲ Ｆ— Ｌ Ｅ Ｓ模 式 ；小尺度 ；风场 ；复 杂地 形
ｄ ｏ ｉ ：１ ０ ． １ ３ ９ ２ ８ ／ ｊ ． ｃ ｎ ｋ ｉ ． ｗ ｒ ａ ｈ ｅ ． ２ ０ １ ７ ． １ ２ ． ０ ３ ２
Ｚ ＨＡＮＧ Ｓ ｈ ａ ｏ ｊ ｉ ’ ’ ．Ｐ Ｅ ＮＧ Ｙ ａ ｎ ｘ ｉ ａ ｎ ｇ ．Ｚ ＨＡＮＧ Ｈｕ ａ
（ １ ． Ｐ ｏ ｓ ｔ — Ｄ ｏ ｃ ｔ ｏ ｒ Ｒ ｅ ｓ ｅ ａ ｒ ｃ ｈ Ｃ ｅ ｎ ｔ ｅ ｒ ｏ ｆ Ｗｕ ｌ ｉ ｎ ｇ Ｅ ｌ ｅ ｃ ｔ ｒ ｉ ｃ Ｐ ｏ ｗ ｅ ｒ Ｃ ｏ ． ，Ｌ ｔ ｄ ． ， Ｓ ｔ ａ ｔ ｅ Ｐ ｏ ｗ ｅ ｒ Ｉ ｎ ｖ ｅ ｓ ｔ ｍ ｅ ｎ ｔ Ｃ ｏ ｒ ｐ ｏ ｒ ａ ｔ ｉ ｏ ｎ ，Ｃ ｈ ａ ｎ ｇ ｓ ｈ ａ ４ １ ０ ０ ０ ４，
ＷＲ Ｆ中尺 度 与 Ｌ Ｅ Ｓ小尺度 都 能对 目标 区域 的 小 时平 均风 速 、 温度 和 压 强进 行 有 效 的模 拟 。在 风场 模
拟方面，Ｌ Ｅ Ｓ的模拟风速普遍 比中尺度模拟的风速大，在风速为 ≥８ ｍ ／ ｓ 时，Ｌ Ｅ Ｓ 模拟 的风速较 中尺
基于LBM的典型建筑布局树木风环境模拟
ｄｏｗｎｓｔｒｅａｍ ｏｆ ｔｈｅ ｌｅｅｗａｒｄ ａｒｅａ ｏｆ ｔｒｅｅｓꎻ ｔｈｅ ｓｉｍｐｌｉｆｉｅｄ ｃｙｌｉｎｄｅｒ ｍｏｄｅｌ ｂａｓｅｄ ｏｎ ｔｈｅ ｐｒｉｎｃｉｐｌｅ ｏｆ
运动ꎮ 控 制 粒 子 运 动 的 平 衡 态 分 布 函 数 表 达 式 见
式(１) :
ｆ ｉ ( ｘ ＋ ｃ ｉ δ ｔ ꎬｔ ＋ δ ｔ ) － ｆ ｉ ( ｘꎬｔ) ＝ Ω ｉ ( ｘꎬｔ)
式中:ｃ ｉ 为 ｉ 方向的离散速度向量ꎻ
ｆ ｉ 为粒子在 ｉ 方向的速度分布函数ꎻ
孔介质计算模型ꎬ从景观植被设计角度出发ꎬ研究了
采用三维格子玻尔兹曼( ＬＢＭ) 方法开展大气边
计算中考虑树木挡风效应影响 [８] ꎮ
界层条件下建筑和树木风环境模拟研究ꎮ ＬＢＭ 控制
国内学者早期基于二维树木简化几何模型开展
方程主要关注求解微观流体分子的时空分布演化过
基于有限体积法的稳态计算分析ꎮ 沈世钊研究团队
程ꎬ假设宏观流体由大量虚拟流体粒子构成ꎬ通过粒
ａｎｄ ｋｅｙ ｐａｒａｍｅｔｅｒｓ ａｒｅ ｖｅｒｉｆｉｅｄꎬ ａｎｄ ｔｈｅ ｔｒｅｅ ｂｌｏｃｋｉｎｇ ｐｈｅｎｏｍｅｎｏｎ ｉｓ ｃａｒｒｉｅｄ ｏｕｔ ｆｏｒ ｔｈｅ ｗｉｎｄ ｓｐｅｅｄ
ａｃｃｅｌｅｒａｔｉｏｎ ｐｈｅｎｏｍｅｎｏｎ ｉｎ ｔｈｅ ｔｙｐｉｃａｌ ｒｅｃｔａｎｇｕｌａｒ ｂｕｉｌｄｉｎｇ ｌａｙｏｕｔｓ ｉｎ ｔｈｅ ｕｒｂａｎ ｓｔｒｅｅｔ ａｒｅａ. Ｔｈｅ ａｎａｌｙｓｉｓ