湍流入口模拟之预前模拟法

预前模拟法指在模拟研究对象之前，设置单独的预前计算域，得到目标湍流特性后，将湍流风速时程施加于主计算域的入口，从而进行相关数值模拟。该方法的优势在于入口边界来源于真实大气边界层风场的模拟，满足时空相关性、N-S方程及一定程度的能量频谱特性。但要在主计算域得到准确的统计资料及流场演化过程，通常耗时很长，需要预前计算域模拟足够长的时间并导出参考平面R的时程序列。因此，预前模拟法的存储量和计算时间都是非常可观的。基于预前模拟法的大气边界层模拟方法主要包括缩尺循环法和前置粗糙元法。

预前模拟法示意图

1）缩尺循环法

在平板边界层流动试验中，层流边界层经过一定距离发展则变成湍流边界层，如直接对整个过程进行数值建模，计算域极大且耗时极长。为缩短计算时长，可截取边界层流动中的某一段进行模拟，将下游速度重新赋给入口截面，从而实现流动拟周期循环。周期边界的问题在于边界层沿顺风向不断发展，下游和上游速度剖面不同，直接赋值会使边界层结构不稳定，理想的方法是将下游速度剖面缩尺为与上游一致后再赋值。Spalart提出缩尺循环法（Recycling Rescaling Method），以顺流向平均流线为参考的坐标转换系统，实现拟周期条件，但该方法概念难理解且实现起来较复杂（Spalart, 1988）。Lund对此进行了改进，提出了更简便的坐标转换系统，对于平板湍流边界层模拟而言，可以得到较稳定、精确的数值解（Lund, 1998）；但该方法也存在一些不足，如：拟周期条件会引入伪低频成分；需要合理的初始扰动才能快速生成目标湍流；仅能生成较低湍流流场。Spille-Kohof通过在预前计算域的入口与循环处之间添加源项，降低了伪低频成分存在的可能（Spille-Kohoff, 2001）。Liu提出动态变换循环处的位置，可以有效减少目标湍流生成时间。

（2）前置粗糙元法

平板湍流边界层的局限性在于生成的脉动风速湍流强度降低，为适应抗风研究对高湍流强度脉动风速的需求，学者参考风洞试验中被动生成大气边界层的方法，在入口和模型之间建立数值粗糙元，增大来流湍流强度，称为前置粗糙元法。Nozawa针对Lund提出的方法，建立数值粗糙元，模拟粗糙壁面的湍流边界层，从而得到更高湍流强度的流场（Nozawa, 2002）。Liu采用全尺度风洞建模，模拟了二维和三维单体山峰的大气边界层风场，与风洞试验吻合较好（Liu, 2016）。这种方法通常需要在粗糙元周围布置大量的数值网格，极大程度增加了数值模拟的计算量。

本文来自互联网用户投稿，文章观点仅代表作者本人，不代表本站立场，不承担相关法律责任。如若转载，请注明出处。 如若内容造成侵权/违法违规/事实不符，请点击【内容举报】进行投诉反馈！