一种基于分块涡方法的大涡模拟入口湍流生成方法

本申请涉及脉动风压数值模拟，特别是涉及一种基于分块涡方法的大涡模拟入口湍流生成方法。

背景技术：

1、目前，大涡模拟入口湍流生成方法主要分为预前模拟法和人工合成法两种，预前模拟法所得到的流场虽然接近于真实流场，缺点在于其工作量过大、计算成本极高且效率较低，难以广泛应用。

2、人工合成法主要包括序列合成法和涡方法，其中涡方法通过在入口边界上叠加漩涡场，该涡旋场可以生成大小不同、旋转方向各异的涡旋，并且这些涡旋能随着流体向垂直于入口的方向移动发展，这些大小不同、旋转方向各异的涡旋在流域内发展为涡流进而生成了湍流脉动风场。但是传统涡方法模拟的流场整体参数不易保持一致，在沿高度方向和展向方向性能体现出差异，只能模拟各项同性风场，而难以生成各项异性风场。

技术实现思路

1、基于此，有必要提供一种基于分块涡方法的大涡模拟入口湍流生成方法，其具体技术方案如下。

2、一种基于分块涡方法的大涡模拟入口湍流生成方法，包括如下步骤：

3、建立cfd数值模型，确定目标高层建筑的计算域尺寸，利用ansys icem对模型划分流体计算网格；

4、沿速度入口边界高度方向和展向方向进行分块形成多个子速度入口，在每个子速度入口分别随机设置风速、湍流动能、湍流耗散率，形成旋涡；

5、根据能量互等原则，利用davenport风谱反推每个子速度入口边界旋涡的数量；

6、计算每一个旋涡的环量和作用半径；

7、在入口边界的每个网格上计算出由其漩涡场生成的脉动风场，得到脉动风速叠加后的风速剖面；

8、结合所有子速度入口得到最终脉动风速场特性。

9、进一步的，旋涡环量гi的计算公式为：

10、

11、其中，x,y为入口位置涡旋点坐标，γi(x,y)为x,y两方向的旋涡环量，k(x,y)为x,y两方向的湍流动能，n为旋涡的数量，a为子速度入口的平面面积；

12、作用半径的计算公式为：

13、

14、其中，c为湍流模型常数，取c＝0.16，ε为湍流耗散率；

15、涡量的计算公式为：

16、ωi＝γi(xi)ξσ(x-xi)

17、其中，γi(xi)为x单方向的旋涡环量，ξσ表示涡旋的形状函数。

18、进一步的，所述脉动风速场的计算公式为：

19、其中，为沿流动方向的单位向量。

20、进一步的，沿速度入口边界进行分块时，沿大涡模拟入口边界的高度方向划分n个部分，使近地面至远地面各部分的厚度依次增大；沿大涡模拟入口边界的展向方向均匀划分为m个部分，使各个部分的宽度相等；形成m×n个子速度入口。

21、进一步的，能量互等原则包括在初始条件下，整个流场中的环量为0，任意时刻总涡量为0。

22、进一步的，计算域尺寸为速度入口边界距离目标高层建筑为4h，出口边界距离目标高层建筑为10h，侧面边界距离目标高层建筑为4h，计算域的高度为4h，其中h为目标高层建筑的高度。

23、进一步的，进行流体计算网格划分时，采用1.05～1.2的粗细网格平滑过渡增长因子对入口至目标高层建筑位置进行网格加密。

24、一种基于分块涡方法的大涡模拟入口湍流生成，包括：

25、模型建立模块，建立cfd数值模型，确定目标高层建筑的计算域尺寸，利用ansysicem对模型划分流体计算网格；

26、划分模块，沿速度入口边界高度方向和展向方向进行分块形成多个子速度入口，在每个子速度入口分别随机设置风速、湍流动能、湍流耗散率，形成旋涡；

27、定义模块，根据能量互等原则，利用davenport风谱反推每个子速度入口边界旋涡的数量；

28、第一计算模块，计算每一个旋涡的环量和作用半径；

29、第二计算模块，根据能量互等原则，利用davenport风谱反推每个子速度入口边界旋涡的数量；

30、结合模块，结合所有子速度入口得到最终脉动风速场特性。

31、一种计算机设备，包括：一个或多个处理器；存储器，用于存储一个或多个程序；当所述一个或多个程序被所述一个或多个处理器执行，使得所述一个或多个处理器实现上述任一所述的一种基于分块涡方法的大涡模拟入口湍流生成方法。

32、一种计算机可读存储介质，其上存储有计算机程序，该程序被处理器执行时实现上述中任一所述的一种基于分块涡方法的大涡模拟入口湍流生成方法。

33、有益效果：1.本发明所提供的一种基于分块涡方法的大涡模拟入口湍流生成方法，沿速度入口边界高度方向和展向方向进行分块形成多个子速度入口，并对每个入口赋予不同的风速、湍流动能、湍流耗散率，使不同入口产生不同特性的入口湍流，从而生成各项异性的风场，能够更好的模拟真实内场情况，并且通过对比，本发明所形成的风场的平均风速、湍流度、功率谱等统计特性与理论值吻合较好。

34、2.本发明所提供的一种基于分块涡方法的大涡模拟入口湍流生成方法，在划分子速度入口时，使近地面分块较密，远地面分块较稀疏，保证近地面处边界层模拟准确度和展向相关性，更接近自然风场分布。

技术特征：

1.一种基于分块涡方法的大涡模拟入口湍流生成方法，其特征在于，包括如下步骤：

2.根据权利要求1所述的一种基于分块涡方法的大涡模拟入口湍流生成方法，其特征在于，旋涡i的环量гi的计算公式为：

3.根据权利要求2所述的一种基于分块涡方法的大涡模拟入口湍流生成方法，其特征在于，所述脉动风速场的计算公式为：

4.根据权利要求3所述的一种基于分块涡方法的大涡模拟入口湍流生成方法，其特征在于，沿速度入口边界进行分块时，沿大涡模拟入口边界的高度方向划分n个部分，使近地面至远地面各部分的厚度依次增大；沿大涡模拟入口边界的展向方向均匀划分为m个部分，使各个部分的宽度相等；形成m×n个子速度入口。

5.根据权利要求4所述的一种基于分块涡方法的大涡模拟入口湍流生成方法，其特征在于，能量互等原则包括在初始条件下，整个流场中的环量为0，任意时刻总涡量为0。

6.根据权利要求5所述的一种基于分块涡方法的大涡模拟入口湍流生成方法，其特征在于，计算域尺寸为速度入口边界距离目标高层建筑为4h，出口边界距离目标高层建筑为10h，侧面边界距离目标高层建筑为4h，计算域的高度为4h，其中h为目标高层建筑的高度。

7.根据权利要求6所述的一种基于分块涡方法的大涡模拟入口湍流生成方法，其特征在于，进行流体计算网格划分时，采用1.05～1.2的粗细网格平滑过渡增长因子对入口至目标高层建筑位置进行网格加密。

8.一种基于分块涡方法的大涡模拟入口湍流生成系统，其特征在于，包括：

9.一种计算机设备，其特征在于，包括：一个或多个处理器；存储器，用于存储一个或多个程序；当所述一个或多个程序被所述一个或多个处理器执行，使得所述一个或多个处理器实现如权利要求1～7中任一所述的一种基于分块涡方法的大涡模拟入口湍流生成方法。

10.一种计算机可读存储介质，其上存储有计算机程序，其特征在于，该程序被处理器执行时实现如权利要求1～7中任一所述的一种基于分块涡方法的大涡模拟入口湍流生成方法。

技术总结
本申请涉及脉动风压数值模拟技术领域，特别是涉及一种基于分块涡方法的大涡模拟入口湍流生成方法，包括：建立CFD数值模型，确定目标高层建筑的计算域尺寸，利用Ansys ICEM对模型划分流体计算网格；沿速度入口边界高度方向和展向方向进行分块形成多个子速度入口，在每个子速度入口分别设置风速、湍流动能、湍流耗散率，形成旋涡；根据能量互等原则，利用Davenport风谱反推每个子速度入口边界旋涡的数量；计算每一个旋涡的环量和作用半径；在入口边界的每个网格上计算出由其漩涡场生成的脉动风场，得到脉动风速叠加后的风速剖面；结合所有子速度入口得到最终脉动风速场特性。本发明能够生成各项异性的风场，能够更好的模拟真实内场情况。

技术研发人员：沈炼,王培杰,周品涵,王胜德,田泽龙,许家陆,沈帝余,卢克才,雷旭,张学文,罗海银,邓舒文
受保护的技术使用者：长沙学院
技术研发日：
技术公布日：2024/1/15