CN112528571B - 适用于近地面湍流特征的数值风洞模拟的建模方法 - Google Patents

Abstract

本发明实施例提供一种适用于近地面湍流特征的数值风洞模拟的建模方法，所述方法包括：获取预设的模拟装置，根据模拟装置模拟地貌，并根据各类型粗糙程度的地貌建立数值风洞几何模型；将几何模型根据对应功能分段，并进行网格划分；获取几何模型入口处预设的来流风速以及湍流度，根据来流风速、湍流度和网格的划分情况计算得到几何模型中各个网格的风力参数数据，湍流度的影响因素包括地貌的粗糙程度；在分段得到的测试段中放入待测建筑物，根据风力参数数据及待测建筑物的位置数据获取待测建筑物在几何模型中的风力影响数据。采用本方法能够直接通过上述建模方法进行待测建筑物针对风场特征的研究，降低了研究成本，提升了研究效率。

Description

适用于近地面湍流特征的数值风洞模拟的建模方法

技术领域

本发明涉及风荷载技术领域，尤其涉及一种适用于近地面湍流特征的数值风洞模拟的建模方法。

背景技术

数值风洞是以计算流体动力学（Computational Fluid Dynamic，简称CFD）原理为基础，通过计算机进行数值计算，对包含流体流动和热传导等物理现象的建筑系统进行分析的技术。CFD的基本思想是：将计算域离散为有限个单元，整个计算域的物理量由这些单元的集合来表示，通过一定的方式建立单元上物理量之间关系的代数方程组。然后在给定的边界条件下求解代数方程组得到整个计算域的数值解。在计算机上创建合适的模型，给定符合实际情况的边界条件，对整个计算域进行求解计算，就像在计算机上进行了一次“风洞试验”。

目前学者们针对数值风洞已经开展了大量研究，但是距离建立能够产生满足近地面湍流特征的数值风洞，还存在一定差距，主要是因为需要设置特定的驱动域，然后针对驱动与进行对应的测试装置、计算装置的布置，以及后续的测试和数值计算，计算耗时较长。

发明内容

针对现有技术中存在的问题，本发明实施例提供一种适用于近地面湍流特征的数值风洞模拟的建模方法。

本发明实施例提供一种适用于近地面湍流特征的数值风洞模拟的建模方法，包括：

获取预设的模拟装置，根据所述模拟装置模拟各类型粗糙程度的地貌，并根据所述各类型粗糙程度的地貌建立数值风洞几何模型；

将所述几何模型根据对应功能分段，并对所述分段后的几何模型按照预设的网格划分方法进行网格划分；

获取所述几何模型入口处预设的来流风速以及湍流度，根据所述来流风速、湍流度和所述网格的划分情况通过预设的计算方法得到所述几何模型中各个网格的风力参数数据，所述湍流度的影响因素包括地貌的粗糙程度；

在所述分段得到的测试段中放入待测建筑物，根据所述风力参数数据及所述待测建筑物的位置数据获取所述待测建筑物在所述几何模型中的风力影响数据。

在其中一个实施例中，所述方法还包括：

所述模拟装置包括尖劈、粗糙元和挡板，通过所述尖劈、粗糙元和挡板按照预设的不同比例组成模拟各类型粗糙程度的地貌，所述尖劈用于模拟光滑地貌，所述粗糙元用于模拟粗糙地貌。

在其中一个实施例中，所述方法还包括：

将所述几何模型分为用于引风的入流段、用于对所述模拟装置测试的尖劈段和粗糙元段、用于对所述待测建筑物测试的测试段。

在其中一个实施例中，所述方法还包括：

从所述几何模型的入流段网格开始，向所述几何模型的尖劈段和粗糙元段方向，通过来流风速、湍流度，依次计算每个网格的风力参数数据，直至得到所述几何模型中各个网格的风力参数数据。

在其中一个实施例中，所述方法还包括：

对所述入流段和所述测试段采用六面体结构化网格划分；

将所述尖劈段简化为零厚实体，并对周围区域加密，得到对应的结构化网络；

对所述粗糙元段用六面体结构化网格划分，并对所述粗糙元段加密；

将网格划分后的入流段、尖劈段、粗糙元段和测试段组合得到所述几何模型的网格划分结果。

在其中一个实施例中，所述方法还包括：

所述各个网格的在预设时间内，每个时间步长的风速和风压数据。

在其中一个实施例中，所述时间步长的计算公式，包括：

其中，所述CFL为库朗特数，所述U_H为所述几何模型在预设时间内的平均风速，所述

为最小网格尺寸。

在其中一个实施例中，所述方法还包括：

所述待测建筑物的平均风压系数、脉动风压系数、基地弯矩系数。

在其中一个实施例中，所述方法还包括：

通过所述各个网格的风力参数数据获取各个网格的风速时程；

通过所述各个网格的风速时程计算得到所述几何模型的脉动风速功率谱；

获取预设的目标功率谱，将所述脉动风速功率谱与所述目标功率谱进行对比，通过对比结果判断所述几何模型是否准确。

本发明实施例提供的适用于近地面湍流特征的数值风洞模拟的建模方法，获取预设的模拟装置，根据模拟装置模拟各类型粗糙程度的地貌，并根据各类型粗糙程度的地貌建立数值风洞几何模型；将几何模型根据对应功能分段，并对分段后的几何模型按照预设的网格划分方法进行网格划分；获取几何模型入口处预设的来流风速以及湍流度，根据来流风速、湍流度和网格的划分情况通过预设的计算方法得到几何模型中各个网格的风力参数数据，湍流度的影响因素包括地貌的粗糙程度；在分段得到的测试段中放入待测建筑物，根据风力参数数据及待测建筑物的位置数据获取待测建筑物在几何模型中的风力影响数据。这样能够直接通过上述建模方法就能进行待测建筑物针对风场特征的研究，降低了研究成本，提升了研究效率。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本发明实施例中适用于近地面湍流特征的数值风洞模拟的建模方法的流程图。

具体实施方式

为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

图1为本发明实施例提供的适用于近地面湍流特征的数值风洞模拟的建模方法的流程示意图，如图1所示，本发明实施例提供了一种适用于近地面湍流特征的数值风洞模拟的建模方法，包括：

步骤S101，获取预设的模拟装置，根据所述模拟装置模拟各类型粗糙程度的地貌，并根据所述各类型粗糙程度的地貌建立数值风洞几何模型。

具体地，获取预设的模拟装置，模拟装置是用来模拟各类型粗糙程度地貌的被动模拟装置，被动模拟装置包括尖劈、粗糙元和挡板，通过尖劈、粗糙元和挡板按照预设的不同比例组成模拟各类型粗糙程度的地貌，尖劈用于模拟光滑地貌，粗糙元用于模拟粗糙地貌，并且，被动模拟装置不仅可模拟规范要求的平均风速剖面和湍流强度量，同时还可以考虑结构风工程中高层建筑研究需要使用到的顺风向脉动功率谱和湍流积分尺度，对主要的风场特征参数均进行模拟。

另外，具体的风洞几何模型的构建步骤可以为：尖劈形状为异形尖劈，此处将其看作三角形尖劈底部附加梯台形挡板，挡板矩形部分宽高分别为220mm和55mm，梯形部分上下底分别为120mm和220mm；三角形尖劈底边宽B=120mm，高1200mm；分离板高1200mm，上下底分别为40mm和250mm。粗糙元尺寸为75mm

40mm×60mm，其迎风面积为75/>

60mm²。风洞整体长度为15米，尖劈布置在距入口处2.2米，共四个，间距660mm，距风洞侧壁510mm。粗糙元呈交错排布，首行布置在距入口2.5米处，共五个，间距500mm，距风洞侧壁500mm，第二行布置在首行后1米处，共四个，间距500mm，距风洞侧壁500mm，共布置八行。预定的模型中心位置在距入口11米的风洞中剖面处。

确定风洞中被动模拟装置布置后，使用ICEM软件建立了风洞的几何模型。几何模型计算域尺寸X×Y×Z=15m×3m×2.5m，X轴正方向为来流方向。

步骤S102，将所述几何模型根据对应功能分段，并对所述分段后的几何模型按照预设的网格划分方法进行网格划分。

具体地，在构建几何模型之后，将几何模型根据对应的功能进行分段，比如可以将几何模型分为用于引风的入流段、用于对模拟装置测试的尖劈段和粗糙元段、用于对待测建筑物测试的测试段，并对分段后的各段几何模型按照预设的网格划分方法将几何模型中的各段分为网格，具体的划分方法可以为：入流段和测试段采用六面体结构化网格划分，在模型近壁面区域进行加密。尖劈则简化为零厚度体，通过划分block，进行面映射以实现零厚度体，同时对尖劈周围区域加密，得到质量很好的结构化网格。粗糙元段则采取六面体结构化网格，对粗糙元部分均匀加密，在近壁面区域对网格进行加密。另外，在测试段加入了测试对象模型，即待测建筑物模型后，需要对测试对象模型近壁面位置网格进行加密。

步骤S103，获取所述几何模型入口处预设的来流风速以及湍流度，根据所述来流风速、湍流度和所述网格的划分情况通过预设的计算方法得到所述几何模型中各个网格的风力参数数据，所述湍流度的影响因素包括地貌的粗糙程度。

具体地，获取几何模型入口处预设的来流风速以及湍流度，湍流度表示风速在几何模型中受空间、时间的影响趋势，主要的影响因素为地貌的粗糙程度和高度，将来流风速、湍流度和网格的划分情况，通过ANSYS-Fluent商用计算平台中，采用耦合隐式求解器的情况下，计算每个网格的风力参数数据，具体地计算过程包括：从几何模型的入流段网格开始，向几何模型的尖劈段和粗糙元段方向，通过来流风速、湍流度，依次计算每个网格的风力参数数据，直至得到几何模型中各个网格的风力参数数据，并且风力参数数据中，还包括各个网格的在预设时间内，每个时间步长的风速和风压数据，关于计算过程中对于时间步长的确定，可以通过公式：

其中，CFL为库朗特数，由对应的工作人员根据历史数据经验确定，不大于5，U_H为几何模型在预设时间内的平均风速，

为最小网格尺寸，在确定时间步长后，计算在每个时间步长每个网格的风速和风压数据。

步骤S104，在所述分段得到的测试段中放入待测建筑物，根据所述风力参数数据及所述待测建筑物的位置数据获取所述待测建筑物在所述几何模型中的风力影响数据。

具体地，将待测建筑物放入用于对待测建筑物测试的测试段，其中，待测建筑物指的是待测建筑物根据几何模型大小进行处理后的建筑模型，然后根据几何模型中的风力参数数据以及待测建筑物的位置数据计算得到加入待测建筑物后几何模型中每个时间步长每个网格的风速和风压数据，然后根据几何模型中每个时间步长每个网格的风速和风压数据计算需要得到的关于待测建筑物在几何模型中收到风力影响产生的风力影响数据。

其中，风力影响数据可以包括待测建筑物的平均风压系数、脉动风压系数、基地弯矩系数。

其中，平均风压系数的计算方法可以为：在计算得到几何模型中每个时间步长每个网格的风速和风压数据后，通过处理软件Tecplot 360 EX中提取待测建筑物模型各测点位置的风压值，然后处理得到模型表面平均风压系数，其表达式如下：

式中：

表示平均风压系数；/>

表示测点风压值；/>

表示参考来流静压；/>

表示空气密度；/>

表示模型高度H处来流平均风速。

另外，脉动风压系数

按下式确定：

式中：

表示脉动风压系数；/>

表示脉动风压均方根值；/>

表示空气密度；/>

表示模型高度H处来流平均风速。/>

另外，定义基底弯矩系数

和/>

如下：

，/>

式中：

为建筑模型高度；/>

为参考高度风速；/>

为空气密度；/>

为建筑模型迎风面宽度；/>

，/>

表示顺风向和横风向的基底弯矩。

本发明实施例提供的一种适用于近地面湍流特征的数值风洞模拟的建模方法，获取预设的模拟装置，根据模拟装置模拟各类型粗糙程度的地貌，并根据各类型粗糙程度的地貌建立数值风洞几何模型；将几何模型根据对应功能分段，并对分段后的几何模型按照预设的网格划分方法进行网格划分；获取几何模型入口处预设的来流风速以及湍流度，根据来流风速、湍流度和网格的划分情况通过预设的计算方法得到几何模型中各个网格的风力参数数据，湍流度的影响因素包括地貌的粗糙程度；在分段得到的测试段中放入待测建筑物，根据风力参数数据及待测建筑物的位置数据获取待测建筑物在几何模型中的风力影响数据。这样能够直接通过上述建模方法就能进行待测建筑物针对风场特征的研究，降低了研究成本，提升了研究效率。

在上述实施例的基础上，所述适用于近地面湍流特征的数值风洞模拟的建模方法，还包括：

通过所述各个网格的风力参数数据获取各个网格的风速时程；

通过所述各个网格的风速时程计算得到所述几何模型的脉动风速功率谱；

获取预设的目标功率谱，将所述脉动风速功率谱与所述目标功率谱进行对比，通过对比结果判断所述几何模型是否准确。

在本发明实施例中，通过各个网格的风力参数数据计算获取各个网格的风速时程，然后将各点风速时程处理得到对应的脉动风速功率谱，横坐标按照下式进行无量纲化处理：

式中：

表示无量纲量莫宁坐标；n、z、u分别为频率、测点高度和对应的平均速度。

将按上式处理得到的无量纲脉动风速功率谱，并将无量纲脉动风速功率谱于风洞实验得到的标准目标功率谱进行对比，当两者的差别不大时，说明几何模型的准确性较高，能够准确的得到待测建筑物在几何模型中的风力影响数据。

本发明实施例在计算得到待测建筑物在几何模型中的风力影响数据之后，还对几何模型的准确性进行验证，保证了得到的数据的准确性。

通过以上的实施方式的描述，本领域的技术人员可以清楚地了解到各实施方式可借助软件加必需的通用硬件平台的方式来实现，当然也可以通过硬件。基于这样的理解，上述技术方案本质上或者说对现有技术做出贡献的部分可以以软件产品的形式体现出来，该计算机软件产品可以存储在计算机可读存储介质中，如ROM/RAM、磁碟、光盘等，包括若干指令用以使得一台计算机设备（可以是个人计算机，服务器，或者网络设备等）执行各个实施例或者实施例的某些部分所述的方法。

最后应说明的是：以上实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的精神和范围。

Claims (7)

1.一种适用于近地面湍流特征的数值风洞模拟的建模方法，其特征在于，包括：

获取预设的模拟装置，根据所述模拟装置模拟各类型粗糙程度的地貌，并根据所述各类型粗糙程度的地貌建立数值风洞几何模型；

将所述几何模型根据对应功能分段，并对所述分段后的几何模型按照预设的网格划分方法进行网格划分；

获取所述几何模型入口处预设的来流风速以及湍流度，根据所述来流风速、湍流度和所述网格的划分情况通过预设的计算方法得到所述几何模型中各个网格的风力参数数据，所述湍流度的影响因素包括地貌的粗糙程度；

在所述分段得到的测试段中放入待测建筑物，根据所述风力参数数据及所述待测建筑物的位置数据获取所述待测建筑物在所述几何模型中的风力影响数据；

所述获取预设的模拟装置，根据所述模拟装置模拟各类型粗糙程度的地貌，包括：

所述模拟装置包括尖劈、粗糙元和挡板，通过所述尖劈、粗糙元和挡板按照预设的不同比例组成模拟各类型粗糙程度的地貌，所述尖劈用于模拟光滑地貌，所述粗糙元用于模拟粗糙地貌；

所述对所述分段后的几何模型按照预设的网格划分方法进行网格划分，包括：

对入流段和所述测试段采用六面体结构化网格划分；

将所述尖劈段简化为零厚实体，并对周围区域加密，得到对应的结构化网络；

对所述粗糙元段用六面体结构化网格划分，并对所述粗糙元段加密；

将网格划分后的入流段、尖劈段、粗糙元段和测试段组合得到所述几何模型的网格划分结果。

2.根据权利要求1所述的适用于近地面湍流特征的数值风洞模拟的建模方法，其特征在于，所述将所述几何模型根据对应功能分段，包括：

将所述几何模型分为用于引风的入流段、用于对所述模拟装置测试的尖劈段和粗糙元段、用于对所述待测建筑物测试的测试段。

3.根据权利要求2所述的适用于近地面湍流特征的数值风洞模拟的建模方法，其特征在于，所述根据所述来流风速、湍流度和所述网格的划分情况通过预设的计算方法得到所述几何模型中各个网格的风力参数数据：

从所述几何模型的入流段网格开始，向所述几何模型的尖劈段和粗糙元段方向，通过来流风速、湍流度，依次计算每个网格的风力参数数据，直至得到所述几何模型中各个网格的风力参数数据。

4.根据权利要求1所述的适用于近地面湍流特征的数值风洞模拟的建模方法，其特征在于，所述各个网格的风力参数数据，包括：

所述各个网格的在预设时间内，每个时间步长的风速和风压数据。

5.根据权利要求4所述的适用于近地面湍流特征的数值风洞模拟的建模方法，其特征在于，所述时间步长的计算公式，包括：

其中，所述CFL为库朗特数，所述U_H为所述几何模型在预设时间内的平均风速，所述

为最小网格尺寸。/>

6.根据权利要求1所述的适用于近地面湍流特征的数值风洞模拟的建模方法，其特征在于，所述待测建筑物在所述几何模型中的风力影响数据，包括：

所述待测建筑物的平均风压系数、脉动风压系数、基地弯矩系数。

7.根据权利要求1所述的适用于近地面湍流特征的数值风洞模拟的建模方法，其特征在于，所述方法还包括：

通过所述各个网格的风力参数数据获取各个网格的风速时程；

通过所述各个网格的风速时程计算得到所述几何模型的脉动风速功率谱；

获取预设的目标功率谱，将所述脉动风速功率谱与所述目标功率谱进行对比，通过对比结果判断所述几何模型是否准确。

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