论文基于谐波合成法大涡模拟脉动风场生成方法是关于对不知道怎么写谐波论文范文课题研究的大学硕士、相关本科毕业论文谐波分析法论文开题报告范文和文献综述及职称论文的作为参考文献资料下载。
摘 要：为准确模拟大涡模拟入口处的脉动信息,在充分考虑脉动风场的功率谱、相关性、风剖面等参数前提下,运用谐波合成方法生成了满足目标风场湍流特性的随机序列数,通过对FLUENT软件平台进行二次开发,将生成的随机序列数赋给大涡模拟的入口边界,从而实现了大涡模拟的脉动输入.基于风洞试验数据,分别建立了两种模拟脉动风场的数值模型,一为没有任何障碍物的空风洞,运用谐波合成方法生成的随机序列数作为入口边界来生成脉动信息；二为和真实风洞一致的尖劈粗糙元风洞,采用平均风作为入口边界,利用尖劈粗糙元对风场的扰动来产生脉动信息.通过对比两种数值模型发现：基于谐波合成方法生成的脉动风场可作为大涡模拟的入口边界,可为大涡模拟脉动入口研究提供参考.
关键词：大涡模拟；谐波合成；数值模拟；脉动风场
中图分类号：O35 文献标识码：A
文章编号：1674-2974（2015）11-0064-08
大涡模拟在计算资源和计算效率方面是雷诺时均模拟（RANS）和直接模拟（DNS）的折中,集成了二者优势,因此在CFD模拟方面得到了广泛应用.但在实际运用过程中,大涡模拟入口边界处的脉动信息给定问题还没有得到完全解决[1].目前,许多学者直接将均匀来流赋给入口边界,没有考虑脉动信息的作用.而在实际风场中,来流脉动对结构的脉动风压和瞬时风荷载起着非常重要的作用[2],有着不可忽略的地位.因此,非常有必要在大涡模拟过程中考虑脉动信息的影响.
针对大涡模拟脉动入口研究方法,可以将其分为三类[3],第一类为“预前模拟法”,是运用一个预前模拟区域,将目标风场预先模拟出来,然后赋给主模拟区域的入口边界.朱伟亮等[2]在预前模拟区域用流场循环的方法生成了脉动风场,并对钝体平面屋盖的结构风压进行了模拟,这种脉动风场生成方法的不足之处是需要生成匹配的数据库,会消耗巨大的内存和计算时间.序列合成法的另一种储存形式是用空间序列储存,Chung[4]利用泰勒方法协调了预前模拟方法两个计算域之间的离散差异性,对槽道流进行了模拟,运用该方法的缺点是不同时刻的速度不能严格的由泰勒级数展开来获取,因此插值的效果不佳.第二类方法为涡方法,针对涡方法的研究,Mathey等[5]人用一系列的二维随机漩涡加载到平均风场中去从而得到脉动风场,这种方法生成的脉动风场虽然具有较好的空间相关性和湍动能信息,但不足之处是目标风场很难满足风场各向异性目标谱的要求.第三类方法为序列合成法,序列合成法是运用傅里叶变换的方法来生成脉动风速时程.2002年Hanna等[6]人提出了一种简单的各向异性湍流脉动生成方法,生成了随机正态序列数,它是假设在顺风方向和垂直方向的脉动均方根和平均速度有不同的比例,然后通过加权得到脉动信息,这种方法的不足是缺少了雷诺应力信息,同时湍流也会很快衰减.此后,2006年,Kondo[7]等提出了动态湍流输出方法,但这种方法不能满足目标谱的需求.2008年,Xie和Castro[8]用雷诺应力的垂向分布构造出了脉动速度分量,得到的脉动量满足湍流的基本特性并具有雷诺应力信息,但是生成的湍流在入口处并不满足连续性的需求,需要经过很长时间的发展才能形成真正的湍流.后来,Hemon and Santi[9],Huang等[10-11]也针对大涡模拟的入口脉动边界做出了相关研究,得到了不错的计算结果.
本文借助于经典的谐波合成方法,在充分考虑湍流的平均风剖面、目标谱、空间相关性等指标下,合成一系列的随机序列时程数据,把生成的时程数据和大涡模拟的入口建立对应关系,基于对FLUENT软件平台进行二次开发,把生成的随机序列数赋给大涡模拟的入口边界,从而生成入口脉动信息.最后通过对比数值模型和风洞试验结果发现：
基于谐波合成的脉动信息生成方法能满足大涡模拟入口边界的要求,其优势在于目标谱及相关性参数能根据不同情况的需要进行随意调整,合成的时程数据可直接赋给入口边界,生成速度快,模拟时间长短可以随意控制,模拟的点都相互独立,可以很好地进行并行计算,大大提高计算效率.
1 数值模拟理论和方法
在充分考虑脉动风场的平均速度、功率谱、相关性、时间步长等参数后,基于谐波合成理论,用MATLAB对风速时程数据进行合成,生成满足目标风场的随机序列数.然后将生成的随机序列数和入口网格在时间和空间上建立对应关系,时间上要满足时间步长的一致,保证谐波合成风速和大涡模拟风速在时间上的同步.空间上要对入口网格坐标进行严格控制,将模拟点的速度时程赋给对应的入口网格中心点,整个过程用UDF程序编制,对FLUENT软件用户自定义模块进行加载,重新定义入口速度,从而实现大涡模拟入口脉动信息的输入.
2 大涡模拟入口脉动风场特性分析
为验证本文入口处脉动信息输入的正确性,建立了一空风洞数值模型,里面没有任何障碍物,具体尺寸为15 m×2.5 m×3.0 m （x×y×z）,总网格数为180万.入口平均风采用指数率风剖面形式,α值为0.16,取基准风速为20 m/s,地表粗糙高度为0.05 m.入口脉动量由MATLAB程序模拟生成,然后通过UDF程序将这些时程数据赋给入口边界网格,待计算稳定后提取模型入口0.5 m和1 m高度处的风速时程并和输入的谐波合成法生成的数据序列对比,如图1～2所示.
由图1～2可以看出,模型入口监测值和输入的谐波合成法生成的数据序列基本一致,说明了入口边界风速时程输入方法的正确性.为了验证入口边界功率谱的正确性,将数值模型入口1 m高度处顺风方向功率谱模拟值和我国规范进行对比,如图3所示.
从图3可以看出,功率谱能较好的和我国规范采用的Kaimal谱吻合,满足脉动风场特性要求.
对流场入口中心0.5 m和1 m高度处的速度时程数据进行相关性分析,定义两点分别为A和B.图4给出了入口监测点A和B的互相关性和B点的自相关性检验结果,图4（a）中目标值由公式（11）给出.
总结:这篇谐波论文范文为免费优秀学术论文范文,可用于相关写作参考。
参考文献：
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