（环境工程专业论文）风蚀风洞中棒栅粗糙元对流场特性影响的模拟分析.pdf

a b s t r a c t t h es i m u l a t i o no ft h ec h a r a c t e r i s t i e so fs u r f a c ew i n df i e l di sa l li m p o r t a n tb a s i c w o r kf o rw i l l de r o s i o nr e s e a r c h w i t ht h e a p p l i c a t i o na n dd e v e l o p m e n to f c o m p u t a t i o n a ls i m u l a t i o n , n u m e r i c a lw i n dt u n n e lb e c o m e sm o l ea n dm o r ei m p o r t a n t i nt h i ss i m u l a t i o n o no n eh a n d ，b a s e do nt h ed e s i g nf o rv o r t e x - g e n e r a t o r s ，f l u e n t ，ak i n do fc f d ( c o m p u t a t i o n a lf l u i dd y n a m i c s ) s o f t w a r e ，w a s u s e dt os i m u l a t et h ec h a r a c t e r i s t i c so f a t m o s p h e r i cb o u n d a r yl a y e r ( a b l ) o nt y p i c a lw i n de r o s i o nf i e l ds u r f a c ei nn k - 1 t r a n s p o r t a b l ew i n dt u n n e l am e t h o dt h a ti n t r o d u c i n gt h ep o r o u sm e d i am o d e lt o s i m p l i f yt h eo r i g i n a li r r e g u l a rg e o m e t r i cs t i c k 鲥d ，w a sp r o p o s e dt og e tt h eo p t i m a l d i s t r i b u t i o no fs t i c k 鲥d r o u g h n e s se l e m e n t sa n dt h er e s u l t sw a sv a l i d a t e d s a t i s f a c t o r i l yb yw i n dt u n n e le x p e r i m e n t s t l br e s u l t ss h o w e dt h a t , t h ec o r r e l a t i o n c o e f f i c i e n tb e t w e e nt h ep r o f i l eo b t a i n e di nw i n dt u n n e la n dt h es i m u l a t e do n ew a s 0 9 7 4 ，s 0i tw a sf e a s i b l et ou s et h ec o m b i n a t i o no fs t i c k 鲥d sa n dr o u g h n e s se l e m e n t s t os i m u l a t et h ea b l o nt h eo t h e rh a n d ，f u l l s c a l em o d e lo ft h ec o n t r a c t i o na n dt e s ts e c t i o ni nw i n d t u n n e lw a se s t a b l i s h e d ，a n dt h es t i c k 酊d sa n dr o u g h n e s se l e m e n t si np a s s i v e s i m u l a t i o nt e c h n o l o g yw e r ep r e s e n t e di n t ot h en u m e r i c a lt t m n e lt oc a r r yo u tt h e r e s e a r c ho nn u m e r i c a ls i m u l a t i o no fa b la i r f l o w 1 f l l ee f f e c to na i r f l o w c h a r a c t e r i s t i c sc a u s e db ys t i c k 班d r o u g h n e s se l e m e n td e v i c ea n dr e l e v a n to p e r a t i n g p a r a m e t e r sh a db e e no b t a i n e d f i r s t l y , s t i c kg r i d sw e r et h ec o u r s et t m i n gd e v i c e sf o r t h ef o r mo fa b l ，a n dc h a n g i n gt h es t i c k 鲥ds p a c ew o u l da f f e c tt h ef l o wf i e l d s e c o n d l y , r o u g h n e s se l e m e n t sw e r et h ef i n et u n i n gd e v i c e s t h e yw o u l d a f f e c tw i n d v e l o c i t yp r o f i l en e a rs u r f a c ea n dd i f f e r e n t i a t e ，s t a b i l i z ea n db a l a n c et h ed i s t r i b u t i o no f t u r b u l e n ti n t e n s i t y t h e n ，w i t h 也ei n c r e a s eo fi n l e ta i r f l o wv e l o c i t y , t h ev a l u eo fw i n d v e l o c i t yp r o f i l ea n dt u r b u l e n ti n t e n s i t yw o u l di n c r e a s e a tt h es a m et i m e ，t h ev e l o c i t y g r a d i e n tt u r n ss m a l la n dt h et u r b u l e n ti n t e n s i t yg r o w t hr a t ei nm i d - w i n dt u n n e lw a s b i g g e rt h a nt h o s eo ft h eb o t l ls i d e s a tl a s t ，v e l o c i t yf i e l dh a d b e e nf u l l yg r o w na t0 6 a b s t r a c t m e t e r sa f t e rt h ed i s p o s a lo fr o u g h n e s se l e m e n t s g r o w t ho ft h ex v a l u eo fm e a s u r i n g p o s i t i o nh a r d l ya f f e c t e d 、析1 1 dv e l o c i t yp r o f i l eo na x i sl i n e ，b u ti tc o u l di n c r e a s et h e t u r b u l e n ti n t e n s i t yg r o w t hr a t ei nb o t l ls i d e so fw i n dt u n n e lw i t ht h ed e c r e a s ei nm i d k e yw o r d s ：w i n de r o s i o nt u n n e ls t i c k 酊d r o u g h n e s se l e m e n t p o r o u sm e d i a m o d e lc f dn u m e r i c a ls i m u l a t i o n m 第一章引言 第一章引言 第一节研究背景和意义 1 1 1 土壤风蚀和荒漠化 土地荒漠化严重地影响和困扰着全人类生存与社会可持续发展，它是当今 人类面临的一个重要生态问题，受到世界各国普遍关注【l 】。作为深受危害的国家 之一，我国大约有近4 亿人受到土地荒漠化的影响，因荒漠化造成的直接经济 损失达1 2 0 0 亿元 2 1 。 造成土地荒漠化的因素有很多，而风蚀则是引起土地荒漠化的重要原因。 我国有占国土面积一半以上的地区受到土壤风蚀影响，而且许多都处于中强度 风蚀危害之中【3 卅。风蚀除了会引起土地荒漠化，还会产生大量的气溶胶颗粒悬 浮于大气中，成为所在地乃至周围地区沙尘天气出现的重要尘源1 5 圳。国内外土 壤风蚀研究表明，由裸土风蚀而进入大气的风蚀尘已经成为空气颗粒物的主要 源类之一【7 叫。而我国北方城市颗粒物水平相对较高的状况，与裸露地表造成的 整体环境背景颗粒物水平较高有直接关系【l 州。因此，深入开展土壤风蚀研究 意义十分重大。 荣姣凤【1 2 】等人认为，对于土壤风蚀问题的研究主要有两种方法：( 1 ) 野外观 测法：在自然风蚀条件下，在被研究的地表上放置集沙仪直接测量。( 2 ) 风洞实 验法：借助于室内风蚀风洞或可移动式风蚀风洞模拟实验研究风蚀过程。 由于野外观测法是在自然风引起风蚀事件发生时，对真实地表的风蚀进行 定性测量，在时间和空间上的变化并不人为可控，因此该法很难准确实现对不 同地块的风蚀进行比较试验。室内风洞实验虽可以人为控制所需风速，但在实 验时需要在野外取土样或应用塑料模型，这就会造成对真实地表土样的改变， 并且无法在风洞内模拟自然气候条件比如温度、光照和空气湿度等。而利用“城 市空气颗粒物土壤风蚀型开放源诊断与调控技术研究 ( 环保公益性行业科研 专项2 0 0 9 0 9 0 0 5 ) 课题所研制的n k - 1 可移动式风蚀风洞( 简称“n k - 1 风洞 ) 进行野外实验，既能够在实验时人为控制风速，又可在野外真实地表上进行测 1 第一章引言 试，无疑是一种研究风蚀的行之有效的方法。 1 1 2 课题项目背景 南开大学研制的n k 1 可移动式风蚀风洞( 如图1 1 所示) ，是一座用于研 究城市周边季节性裸露农田的风蚀起尘问题的可移动直流式风蚀风洞。该风洞 既可以满足在野外真实地表上模拟大气边界层特征流场的需要，又可以创造在 实验室内模拟吹蚀模型地表的条件。风洞的主要技术参数如表l 。1 所示。 表1 1 风洞主要技术指标 t a b l e l 1m a i ni n d e xo f t h ew i n dt u n n e l 图1 1n k - i 可移动式风蚀风洞 f i g 1 1t h ep i c t u r eo f n k - 1m o v a b l ew i n de r o s i o nt u n n e l 风洞安装建成后，为了在试验段形成实验所需的各类大气边界层风场状态， 可以在风洞内布设人为的干扰装置。运用c f d 技术可快捷、简便、形象地模拟 2 第一章引言 风洞中的流场条件，因此本文在南开风洞建成后拟采用c f d 数值模拟技术对大 气边界层风场特性进行模拟，以期指导风洞边界层生成装置的安装调试。 1 1 3 研究意义 采用可移动式风洞进行风蚀研究，既能够营造一个独立可控的自然风环境， 又能够在野外天然地表上进行测试，这无疑是进行风蚀测试研究的理想方法之 一。 风洞运行时，空风洞本身在试验段提供的是上下速度均匀的平行风。为再 现自然大气边界层中的风场条件，需要在风洞中布置一定规格的湍流涡发生器。 本文采用数值风洞与风洞实测实验相结合的研究方法，研究当需要在风洞中对 某种大气边界层进行模拟时，如何排列棒栅间距和铺设粗糙元，从而可在试验 段模拟得到所期望的大气边界层，进而为今后的风洞实验模拟操作提供一定的 参考借鉴，为设计土壤风蚀风洞提供依据。 同时，本文引入了多孔介质模型来优化风洞中棒栅的分布排列，以期为风 洞湍流涡发生装置的设计模拟提供一种新的思路和方法。 第二节大气边界层风场特性 大气流过地面时，地面上各种粗糙元，如草、沙粒、庄稼、树木、房屋等 都会使大气流动受阻。这种摩擦阻力由于大气中的湍流而向上传递，并随高度 的增加而逐渐减弱，达到某一高度后，可以忽略摩擦阻力对气流的影响，气流 风速将形成沿等高线的梯度剖面，这一高度即被人们定义为大气边界层高度， 也称为边界层厚度。 描述大气边界层风场的主要特征参数有4 个：平均风速剖面、湍流强度、 脉动风的功率谱和湍流积分尺度【1 3 1 7 】。 1 2 1 平均风速剖面 风速剖面是描述气流平均风速随高度变化规律的曲线。研究结果表明【l s - 4 9 ， 风速剖面是进行风蚀模拟研究应满足的最为关键的边界条件。一般情况下，平 3 第一章引言 均风速剖面可以用对数律或幂次律来描述。 1 2 1 1 对数律表示法 对数律表示法的表达式如公式( 1 1 ) 所示： 旦： l l l f 三1 ( 1 1 ) “咒 k z o 式中，u 为高度z 处的平均风速，m s ； u 为摩擦速度，i t l s ； k 为卡门( k a r m a n ) 常数，一般取o 4 ； z 为测量点距地面的高度，m s z o 为空气动力学粗糙度，m 。 对数律一般用来描述近地大气边界层的风速分布规律。近年来的实验研究 表明，在大气边界层厚度的1 0 范围内( 高度约为1 0 0 m ) ，用对数律来描述风 速剖面是比较理想的。根据研究内容需要，本文亦采用此种表示法。 在应用风洞模拟大气边界层时，直接测量对数律中的参数u 、z o 难度很大， 一般利用最小二乘法对u 与i nz 进行线性拟合而得。假设有1 1 个采样点，即有 n 对( z i ，u i ) ，其中：i = 1 、2 、3 、n 。则： o 4 ( ez ，l n z ，- n “，i n z 。) 玑= 生j 堕一 ( 1 2 ) i l i l 乞l - 甩( 1 i l z ，) 2 i n z o = n玎n一 甜，( 1 n z ，) 2 - e i n z ，i n z ，) ，= lf = l，= il = l e u ，l i l 乙一刀l n z ， i = 1i = li f f i l 1 2 1 2 指数律表示法 指数律表示法的表达式如公式( 1 4 ) 所示： 善= 2 式中，z ，为标准参考高度，1 1 1 ； 4 ( 1 3 ) ( 1 4 ) 第一章引言 1 1 f 为压处的平均风速，m s ： a 为地面粗糙度指数，随地形的不同而变化。 一般用指数律来描述大尺度边界层内风速的分布规律。 理论上说，只要风洞风速和底面铺设粗糙地表能够符合条件，那么在经过 一定距离的发展之后，一定能够形成符合对数率的近地表大气边界层风速剖面。 然而实际上，想要得到发育成熟的风速剖面，在风洞中所需的风距是相当长的， 这就意味着风洞试验段入口距采样区的长度也是相当长的，而这显然是不理想 的。就如c e r m a k l 2 0 】的研究所说，至少需要1 5m 远的长度才能自然发育成0 5 m 高的边界层。从造价或是便捷性方面考虑，具有如此长试验段的风洞都是不能 被接受的。因此，在设计风蚀风洞时，便需要考虑如何加入人工干扰装置来增 厚边界层，从而能在风洞中较短的试验段内正确模拟出目标大气边界层的风速 剖面。 针对不同的地表下垫面，表述大气边界层风速剖面的特征参数摩擦速 度u ( 对数率) 和地面粗糙度指数a ( 指数律) 的值均是不同的。对于农田下垫 面来说，主要有五种典型地表：有少量植被覆盖的翻耕农田、留茬农田、未翻 耕农田、裸露沙质地和植被覆盖沙质地，这五种下垫面也将是今后实验的主要 研究目标。 根据朱朝云【2 1 1 、王洪涛【2 2 1 、范贵生【2 3 1 、p e t e r s e n 2 4 和z o b e c k 2 5 】等人对不同 风蚀下垫面的研究以及对北京、天津周边大气边界层风速剖面的研究 2 6 - - 3 0 1 ，上 述5 种下垫面不同风况下的摩擦速度u 、空气动力学粗糙度z d 和地面粗糙度指 数值的参考分别列于表1 2 中： 表1 2 五种下垫面的摩擦速度u 、空气动力学粗糙度z 0 和地面粗糙度指数a 的参考值 t a b l e1 21 1 舱c a l c u l a t e dc h a r a c t e r i s t i cp a r a m e t e r so f w i n dp r o f i l e so nf i v el a n d s 1 2 2 湍流特性描述 由于地表的干扰，大气边界层内近地气流在流动过程中会产生体积大小不 5 第一章引言 同的涡旋，从而形成速度的随机脉动特征。由湍流脉动频谱理论可知，在平均 风输运的过程中会产生一些涡旋，这些涡旋相互叠加便引起湍流脉动，边界层 湍流的总动能可以认为是所有不同大小的涡旋的总贡献值。湍流能量主要由大 涡旋携带，后者的能量从平均风中得到，具有较低的脉动频率；而脉动频率较 高的小涡旋则具有各向同性的特点，会引起一定的能量耗散。因此，可以将湍 流流动看作是一个能量由低频脉动过渡到高频脉动，并伴随着能量耗散的过程。 目前描述大气边界层湍流特性通常采用概率统计的方法，主要有以下三种。 1 2 2 1 湍流强度 湍流强度是用来度量大气湍流脉动能量的参数。如果用u 来代表沿主流平 均风速方向的脉动速度，则高度z 某一点处顺风向湍流强度，可定义为： j ：型 ( 1 5 ) “ 式中，u 为湍流脉动速度； 材为平均风速，m s ： 仃0 ) 为u 的均方根值，即仃0 ) = 甜2 ，m s 。 ，随着离地高度的不断增加而逐渐减小。由于目前国内外还缺乏关于大气边 界层湍流强度测定的实测资料，因此，的大小主要是通过经验公式确定。其中， u 的方差可近似表示为： 仃2 0 ) = p u 。2( 1 6 ) 而摩擦速度u 可由公式( 1 1 ) 变形求得： 驴后石l i l ( 1 7 ) z o 式中，z o 为空气动力学粗糙度，m ； 甜l o 为z = l o m 时的平均风速，m s ： k 取0 4 0 。 表1 3 所示为不同地形条件下的d 取值口9 1 。 6 第一章引言 表1 3 不同地形的p 取值 t a b l e1 3v a l u e so fpc o r r e s p o n d i n gt ov a r i o u sr o u g l l i l e s sl e n g t h s p e t e r s e n 等人研究认为，较为平坦地表下垫面上的大气边界层内湍流强度一 般在1 3 左右 2 4 1 。在风蚀风洞设计时，应设法在较短的试验段内得到与模拟原 型相似的湍流强度。 1 2 2 2 功率谱 功率谱是描述脉动风中能量分布的参数，它对应于各谐波分量。较早被人 们认可的是d a v e n p o r t 谱【3 2 1 ，它是一种水平阵风脉动功率谱，是d a v e n p o r t 在假 定湍流积分尺度( 见1 2 2 3 节) 沿高度不变( 取常数值1 2 0 0 m ) 的条件下，根 据世界上不同地点得到的9 0 多次强风记录，将不同离地高度的风速取平均导出 的。 1 2 2 3 湍流积分尺度 湍流积分尺度是用来描述湍流中涡旋大小的参数。其表达式如下【3 3 3 4 】： 小南n 。：g 炳 ( 1 8 ) 其中，r 郴：g ) 是两个顺风向速度分量“= u ( x l ，) 和甜：= “k + x ，f ) 之间的相 关系数。当结构上两点距离远远超过湍流积分尺度，即x 一时，足b ) = 0 ，即 u l 、u 2 不相关，它们对结构的作用相互抵消，此时，脉动风对湍流积分尺度总响 应的影响很小；当涡旋范围包围整个结构、湍流积分尺度相对很大，如x = 0 时， r ( 0 ) - - 0 - 2 0 ) ，脉动风则会对结构总响应具有十分明显的影响。 第三节风洞模拟大气边界层 风洞是用来产生人造气流的管道，主要任务是提供各种速度范围内模型实 验所必须的空气动力环境，并在试验段形成气流均匀流动的区域。按马赫数的 不同，风洞可分为四种基本类型：m a _ 5 的高超声速风洞。工业空气动力学所用 风洞都属于低速风洞，目前在大气领域用来模拟大气边界层的环境风洞就属于 此类。 1 3 1 国内外研究进展 早在2 0 世纪6 0 年代，美国c o l o r a d os t a t eu n i v e r s i t y 的c e r m a r k 便建造了以 从事环境评估及建筑设计等为主要用途的模拟大气边界层风洞【4 引。随后，加拿 大、日本等国相继制造出大气边界层风洞，并提出了被动式大气边界层风洞模 拟方法 3 6 3 7 。进入7 0 年代，美国在大气边界层的风洞模拟上有所突破，提出了 主动式模拟方法【3 引，其中应用最成功的两类主动模拟技术为振动翼栅和多风扇 风洞。国内修建边界层风洞起步较晚。1 9 9 1 年，同济大学建成一座建筑边界层 风洞【3 9 】，使用的大气边界层模拟装置是挡板+ 尖塔+ 粗糙元。2 0 0 5 年，内蒙古农 业大学自主研制的o f d y - 1 2 移动式风蚀风洞正式投入使用【加j ，该风洞试验段长 为7 2 m ，风洞截面为1 2 m 高x l m 宽，选用的边界层模拟装置为棒栅粗糙元。 随着计算机技术飞速发展和流体动力学理论进步，数值风洞逐步成为风工 程领域又一研究方法。相对于传统的实验方法，它具有以下优点：费用少、 周期短、效率高，可以根据要求变化各种参数，以探讨这些参数对结构性能的 影响：不受结构模型尺度和构造的影响，能够模拟较为真实的大气边界层风 环境，可以进行全尺寸模拟，解决了实验中雷诺数相似问题难以满足的困难； 计算结果可利用丰富的可视化工具，提供风洞实验不便或不能获得的流场信 息。随着高速、大容量计算机的出现和计算方法的飞速发展，数值模拟方法越 来越显示出其优势，数值风洞技术已成为风工程研究的重要且极具发展前景的 方向之一。 最早对风场中建筑物进行数值模拟的是伦敦大学的v a s i l i e m e l l i n g 4 q ( 1 9 7 7 年) ，他分别对二维及三维立方体进行了层流条件下的数值模拟，其中二维的计 算结果较好，但是模拟三维立方体顶面压力与实验结果吻合不好。 d a v i d d a p s l e y 4 2 】采用有限体积法对山地的空气流动进行了数值模拟，文 中假设空气为层流，计算采用修正的k - e 模型。z h o u 和t e d 采用将湍流区k 模型与近壁面单公式模型混合的方法来计算立方体建筑周围风场j ，与普通的 k - 模型相比较，这种方法在预测屋顶上表面和建筑侧面处的流体流动时更加有 8 第一章引言 效。k b n i is l l i m u r a m 】提到风荷载是非常重要的，有些时候由建筑物的外形而引起 的风荷载变化非常大。他采用直接数值模拟方法计算了作用于2 0 0 m 高层建筑的 风荷载，从空气动力学的角度比较了椭圆断面建筑和矩形切角断面建筑的不同。 1 9 9 6 年，同济大学的吴雄华【4 5 j 等用有限分析法进行了方形、圆形及两头尖薄各 种形状物体绕流的数值模拟，但没有采用k 模型。1 9 9 7 年，浙江大学的陈水 福等【4 6 j 采用一种扩展的k 紊流封闭模型预测由近地三维流动风引起的建筑物 的表面风压，应用控制容积法对微分方程作了离散。实例计算与分析比较表明， 此方法改善了对建筑物侧风面和顶面风压值的预测。目前，低速风洞的数值模 拟多采用k - 模型，也有人用模型进行计算。2 0 1 0 年，同济大学的艾辉林 和陈艾荣采用数值风洞技术【4 7 l ，利用大涡模型来模拟湍流效应，数值模拟了杭 州湾跨海大桥桥面无附属结构、桥面仅布置栏杆及桥面布置栏杆风障三种工况 下桥塔区域的风环境分布特点，以此为基础设计了合理的风障改善桥塔附件的 风环境。 1 3 2 大气边界层模拟方法 在风洞中正确模拟自然大气的真实流动状态，是实验结果可信的必要条件。 在风洞中除了要模拟自然风的风剖面，还要模拟它的湍流特性。目前，大气边 界层模拟的方法主要有两种，分别是自然形成法和人工强迫形成法。自然形成 法是利用均匀粗糙平面来制造自然目标边界层。按平板的湍流边界层理论，自 然形成l m 高的大气边界层，约需2 1 6 m 长的试验段，而且湍流强度不够大，因 此，对于试验段较短的风洞而言，常采用人工强迫形成法。人工强迫形成法是 目前通常采用的大气边界层模拟手段，根据有无控制部件可将人工强迫形成法 分为被动和主动两大类方法，两种方法在湍流涡发生器的工作原理上有所不同。 被动模拟是依靠不可控障碍物引起的尾流来形成湍流涡，不需要将能量输入其 模拟装置中，而是利用湍流涡发生器和粗糙元等装置的阻尼等作用被动模拟出 具有一定厚度的湍流边界层；主动模拟方法则需要布设可控运动部件，运行时 向流场中注入适当频率的随机脉动能量。 1 3 2 1 被动模拟方法 被动模拟方法是在风洞中布设一定的人为装置提供对气流各分层的不同阻 力，从而引起平均风速自下而上分层，并将气流中少部分动能转换成湍流的脉 9。 第一章引言 动能量。 平板格栅是较早期的被动模拟装置，这种装置是由宽度、间距不同的平板 组合而成，能够在足够远处形成各向同性气流，气流的湍流强度和尺度与平板 组合的尺寸有关。p h i l l i p s 和t h o m a s ( 1 9 9 9 ) 就采用变间距平板格栅成功再现 了大气边界层h 8 1 ( 如图1 2 所示) 。 图1 2 风洞中变间距平板格栅布置示意图 f i g 1 2s k e t c ho f t h ea r m yo fd e f e r e n t i a l l y - s p a c e df l a tp l a t e si nt h ew i n dt u n n e l 常用的被动模拟装置是应用尖劈( 湍流涡发生器) 和一定长度的粗糙元( 模 拟地面粗糙物) 来模拟近地大尺度涡旋和地面摩擦的共同作用，从而生成大气 边界层，图1 3 所示为被动模拟装置的示意图。所谓湍流涡发生器，即产生湍流 涡的装置【4 9 】。当湍流涡发生器处于气流中的某一物面上时，发生器产生了湍流 涡，使气流中高动量主流和物面边界层内低动量气流进行交换或平衡，从而增 加边界层内气流流动方向的动量及涡流附近气流湍流强度。尖劈可分为三角形 和非三角形尖劈，我国目前广泛应用的是利用三角形尖劈的大气边界层风洞模 拟技术 1 5 , 5 啦5 2 1 。尽管i r w i n 5 3 1 ( 1 9 8 1 ) 曾论断说相对于三角形尖劈，非三角形尖 劈并没有明显的优势，然而许多风洞还是在具体条件及相关实验需求下采用了 其他形状的尖劈，图1 4 所示分别为半椭圆板尖劈、梯形尖劈和曲边梯形尖劈 【4 l ，5 4 5 引。 1 0 第一章引言 图1 3 风洞中尖劈粗糙元组合示意卧1 4 】 f i g 1 3s k e t c ho fs p i r e sa n dr o u g h n e s se l e m e n t si nw i n dt u n n e l 图1 4 非三角形尖劈示意图 f i g 1 4s k e t c ho fs e v e r a ln o n - t r i a n g l es p i r e s 另一种被动模拟装置是利用棒栅和粗糙元组合从而形成边界层，叫做棒栅 法。这种方法是在试验段入口垂直于来流方向安装相互平行但间距自上而下递 减的“棒”( 如圆棒、钢丝、方木条等) ，下游再布设一定长度的粗糙元，造成对 气流下大上小的阻尼，以形成剪切层，如图1 5 为例。这种方法的突出优点是便 于流场的调试，但针对棒栅间距的调试目前大多数研究都采用试凑法，势必会 给流场的调试带来不便。 第一章引言 图1 5 风洞中棒栅加粗糙元布置示意图 f i g 1 5s k e t c ho fs t i c kg d da n dr o u g h n e s se l e m e n t si nw i n dt u n n e l 此外，还有利用格栅、曲网等装置以及上述装置相互组合的方法来进行进 行大气边界层的模拟【5 1 1 ，如图1 6 。 ( a ) 格栅+ 挡板+ 粗糙元( b ) 1 4 椭圆尖劈+ 挡板+ 粗糙元 图1 6 风洞中被动模拟方法实例【5 3 1 4 】 f i g 1 6e x a m p l eo fp a s s i v es i m u l a t i o nm e t h o d si nw i n dt u n n e l 1 2 第一章引言 1 3 2 2 主动模拟方法 主动模拟方法主要通过可控运动机构向气流注入一定频率机械能，增强低 频成分湍流动能，从而可以在一定范围内优化对湍流功率谱和湍流积分尺度的 模拟结果。气流中湍流主要由运动机构( 湍流涡发生器) 的随机运动产生，主 动模拟时以目标速度谱为基准，将实测速度谱与之比较，不断调节控制湍流涡 发生器随机运动的信号，最终得到所需的风场条件。 让原本固定的湍流涡发生器随机振动，便构成了最简单的主动模拟装置。 装置振动向流场注入的随机脉动能量可增强湍流强度，而振动的波形则可以控 制湍流的积分尺度。图1 7 所示为美国科罗拉多州立大学的振动翼栅，风洞进口 处的两列可控振动翼栅的随机振动周期可在和1 6 s 范围内变化，下游的湍流边界 层剖面和尺度均能够满足1 ：1 0 0 缩比风洞实验 6 2 j 。 日本研制的二维多风扇风洞是一种更完善的主动模拟装置【6 3 。如图1 8 所 示，该装置由1 1 个变频调速风扇组成，每个风扇垂直放置，转速可由计算机独 立控制。日本宫崎大学这一风洞模拟所得到的脉动风速时程与自然风形成的湍 流状态几乎一致，甚至在风速突变点处，模拟所得的风速时程也能完美的重现 目标曲线。多风扇风洞的雏形是t e u n i s s e n 的多射流风洞m j ( m u l t i p l e - j e tw i n d t u n n e l ) ，这是一个小型开路风洞，里面布设了由6 4 个可独立控速的射流管组成 的矩阵，通过调整射流风速，可在风洞试验段各平面内得到各种实验所需的平 均流速剖面，同时还可获得与真实值相近的湍流强度。 图1 7 科罗拉多州立大学大气边界层风洞及其振动翼栅5 习 f i g 1 7b o u n d a r yl a y e rw i n d - t u n n e la n di t sc o n t r o l l a b l el a t t i c e dw i n g so f c o l o r a d os t a t eu n i v e r s i t y 1 3 5 l 第一章引言 嚣 囊摹并鲁事嚣攀警备 蓉i r 毒 3 8 攀雾萋善黪j ；豢誊 囊l l 蜘辆黛蘸颡鼗 誊_ ，o 毯 弱i 蕊雾溪羹銎妻菱缝皴妻纛垂l 差壅缝| | 篓_ 荔蕊 鬻墨童 l ；霉舔蕊一錾一缎瓣菇 l 蠢搠客誊瓣# 茹秘瞻- 菇锄h 薹| | l “霉翻镶舔簿 图1 8 二维多风扇风洞系统示意图【2 6 】 f i g 1 8s k e t c ho f2 - dm u l t i f a nw i n dt u n n e l 冀 戮鬻鏊鬻嚣 此外，北京大学的陈凯等人制造了一种新的大气边界层模拟装置振动 尖塔【6 卯，该装置的湍流涡发生器为配有弹性底座的尖塔型，前后两排相间放置。 实测结果表明，该方法模拟边界层所得的上层流场的湍流强度和积分尺度都明 显增大，模拟效果较好。 同济大学的庞加斌和林志兴共同研制出一种可控振动尖劈在风洞中模拟湍 流边界层的方法嘲】，寻找到一种简易可行的运动控制结构( 如图1 9 ) 。他们在 同济大学t j 2 边界层风洞中，采用普通的步进电机和微机研制出一套低成本的 可控振动尖劈，实验结果证明，尖劈的低频机械振动增强了相应频率的湍流能 量，增大了湍流积分尺度，结合粗糙元可更好地模拟大气边界层。 1 4 第一章引言 图1 9t j - 2 风洞可控振动尖劈装置【5 9 1 f i g 1 9t h ec o n t r o l l a b l es p i r e sa n dd r i v i n gm e c h a n i s mi nt j - 2w i n dt u n n e l 1 4 1 研究内容 第四节研究内容和创新点 1 本文采用数值风洞模拟与实验相结合的研究手段，研究入口棒栅的位置和 间距、粗糙元的位置、粗糙元铺设类型、入口流体速度等参数与模型试验区测 点速度和风场的湍流特性参数之间的变化规律。 2 引入多孔介质模型模拟优化试验段棒栅位置分布。将惯性阻力系数与空间 位置坐标进行回归分析，得到惯性阻力系数相对于空间三维坐标的函数关系。 以多孔介质模型替代棒栅，以之前所得阻力系数的空间分布函数关系为多孔介 质区域条件，将试验区风速剖面作为目标值进行调试，得到最适阻力系数空间 分布，最终反求出最适棒栅空间分布。从而提出一种新的基于计算流体动力学 ( c f d ) 数值模拟棒栅粗糙元的优化设计方法，并且最终用棒栅模拟结果以及风洞 试验结果与多孔介质模拟结果进行比较研究，验证这种方法的可行性。 3 用数值模拟的方法模拟粗糙元形成大气边界层的过程，研究在粗糙元区域 分区构建非均匀网格的方法以提高网格质量，最终提高数值模拟准确度。 1 5 第一章引言 1 4 2 技术路线 1 4 3 创新点 1 本文采用数值风洞模拟与实验相结合的研究手段，模拟南开大学风蚀风 洞风场条件，研究入口棒栅的位置和间距、粗糙元的位置、粗糙元铺设类型、 入口流体速度等参数与模型试验区测点速度和湍流特性参数之间的变化规律。 2 提出一种新的基于计算流体动力学( c f d ) 数值模拟棒栅- 粗糙元的优化设 计方法，引入多孔介质模型模拟优化试验段棒栅位置分布。 1 6 第二章c f d 数值模拟技术 第二章c f d 数值模拟技术 数值风洞的核心就是计算流体动力学( c o m p u t a t i o n a lf l u i dd y n a m i c s ，简称 c f d ) ，因数值风洞具有试验周期短、费用低、便于修改参数和优化设计方案等 优点，使得c f d 数值模拟技术逐渐成为风工程领域的热点之一。 第一节大气边界层控制方程 定常条件下，大气边界层的控制方程包括连续性方程和纳维斯托克斯 ( n a v i e r - s t o k c s ) 方程【6 7 1 。 2 2 1 连续性方程 连续性方程是质量守恒定律在流体力学中的具体表述形式。它的前提是对 流体采用连续介质模型，速度和密度都是空间坐标及时间的连续、可微函数。 方程表达式如下： o _ p + 型+ 型+ 刿：o a a 。c a y a z 。 式中，p 为密度； t 为时间； u 为速度矢量，u 、v 和w 分别为n 在x 、y 、z 三个方向上的分量。 若是不可压缩流体，则p 为常数且不随时间变化，则公式( 2 1 ) 变为： 丝+ 翌+ 塑：0 0 ( 2 2 ) + + = i z z l 苏砂 出 2 2 2 纳维斯托克斯( n a v i e r - s t o k e s ) 方程 纳维斯托克斯方程是动量守恒定律描述流体时的运动方程。在x y z 三维 坐标系中，其表达式如下： 1 7 第二章c f d 数值模拟技术 刿a t + 挑b 云) = 一望0 x + 等+ 笠0 y + 坠a z + e 、。 瓠 1 剑a t + 挑) = 一塑0 y + 堕0 x + 盟5 , + 堕a z + f ( 2 3 ) v， 、， 劐+咖伽)一oap+冬+笠+丝+eat 、 。 a za x o y a z z 式中，p 为流体密度 p 为微元所受的压力； k 、和等为作用在微元上的粘性力t 的分量； c 、e 和c 等为体积力，j 、1 2 i 有重力存在时( z 轴竖直向上) ，则 c = o ，e = o ，c = - p g 。 公式( 2 3 ) 是对任何类型的流体( 包括非牛顿流体) 均成立的动量守恒方程。若 是只针对牛顿流体，上式又可化为： 1 a r m 广) + 咖b 二) = d i v ( g , a d u ) 一瓦a p + t 型a t + 咖b 二) = 咖胁) 一考+ ( 2 4 ) 1 a r m 广) + 咖b 云) = 咖岫) 一瓦a p + 最 式中，鼠、s ，和s ，为动量守恒方程的广义源项。由于上式分别是由m n a v i e r ( 法国) 和g s t o k e s ( 英国) 在1 9 世纪上半叶独立提出的，故命名为纳维斯 托克斯方程，简称为一s 方程。 第二节湍流的数值模拟方法 目前，湍流的数值模拟主要包括两种方法：直接数值模拟( d i r e c tn u m e r i c a l s i m u l a t i o n , 简称d n s ) 和非直接数值模拟。直接数值模拟依据非稳态n s 方程 来直接计算湍流的瞬时运动量在三维空间中的演变；而非直接数值模拟就是不 对湍流进行直接模拟，而是针对湍流的脉动特性作出一定的近似和简化。而根 1 8 第二章c f d 数值模拟技术 据近似、简化方法的不同，后者又包括三类方法，分别是大涡模拟法、r e y n o l d s 平均法和统计平均法。图2 1 是湍流数值模拟方法的分类图。 图2 1 数值模拟方法及相应的湍流模型【6 7 】 f i g 2 1n u m e r i c a ls i m u l a t i o nm e t h o da n dc o r r e s p o n d i j 玛t u r b u l e n tm o d e l 下面将简单介绍其中的三类方法。 2 2 1 直接数值模拟( d n s ) 直接数值模拟方法直接模拟计算包括脉动在内的瞬时运动量【6 s , 6 9 。d n s 的 优点是可以直接对n s 方程进行计算，故不存在封闭性困扰，原则上可以求解 所有湍流问题。 但是经实验验证可知【6 7 1 ，若湍流中雷诺数较高，为了能够解析出繁复的时 1 9 第二章c f d 数值模拟技术 间特性和详细的空间结构，计算的网格节点数将高达1 0 9 到1 0 1 2 数量级，而这是 现有的计算机能力很难达到的，因此d n s 目前还无法真正意义上用于工程计算。 2 2 2 大涡模拟法( 1 a r g ee d d ys i m u l a t i o n ，简称l e s ) l e s 方法是把包括脉动运动在内的湍流瞬时运动量通过某种滤波方法分解 成大尺度运动和小尺度运动两部分。大尺度主要通过数值求解运动微分方程直 接计算出来，并建立模型来模拟小尺度对大尺度运动的影响。 大涡模拟法对计算机配置仍具有较高的要求，但总体较d n s 法低。目前， 在工作站和高档p c 机上已经可以开展l e s 工作，l e s 方法已成为目前c f d 研 究和应用的热点之一【7 1 7 3 1 。 2 2 3r e y n o l d s 平均法( r a n s ) r a n s 是应用湍流统计理论，将非稳态的n s 方程对时间作平均，求解工 程中需要的时均量。公式2 5 所示为r e y n o l d s 方程【7 4 j ： 掣+ 掣一善+ 毒卜筹一面卜墨 c 2 国 钟 苏，锄。苏，l 。缸，叫j 、 方程中出现了一个新的未知量一p u 。甜，它是与脉动值相关的应力项，这就 需要根据以往经验来对r e y n o l d s 应力作出某种假定，建立表达式或湍流模型来 联立湍流的脉动值和时均值，以构成封闭方程组。 根据作出假定的方式不同，目前常用的有r e y n o l d s 应力模型和涡粘模型两 大类湍流模型。前者是直接构建表示r e y n o l d s 应力的方程，而后者则引入涡粘 假定中的湍动粘度从( t u r b u l e n tv i s c o s i t y ) ，将应力转换成它的函数，从而将计算 的重点转移到了求取这种湍动粘度以上来。 根据求取“的方程数目，涡粘模型目前可分为：零方程模型、一方程模型 和两方程模型。目前最具有应用前景的是两方程模型，包括基本的两方程模型 ( 标准k - 模型、k - o ) 模型) 以及各种改进的模型 7 5 , 7 6 ( r n gk - e 模型、r e a l i z a b l e k 吨模型、s s tk - o 模型) 等。 2 2 3 1 标准k 模型 在关于湍动能的k 方程的基础上，再引入一个关于湍动能耗散率的方程， 第二章c f d 数值模拟技术 便形成了k - 两方