TJ-2风洞大气边界层风场数值模拟

雷文治，吉柏锋

(武汉理工大学土木工程与建筑学院，湖北 武汉 430070)

0 前 言

结构风工程研究大多在大气边界层风场中进行，因此，在风洞中再现大气边界层风场是风洞试验的前提。实际风洞通常采用尖劈和粗糙元等被动模拟装置来形成湍流场，并且通过调整尖劈和粗糙元的尺寸、数量和布置等来调整湍流场以得到需要的风场特性，各风洞需要进行大量标定试验以确定风洞被动模拟装置布置，往往耗费大量人力、物力，且耗时较长。采用数值模拟方法则可以创建特定风洞的数值模型，精确再现风洞被动模拟装置布置，通过模拟计算得到大气边界层风场。Phuc等[1]创建了一个50 m长的数值风洞，包括尖劈、粗糙元和栅格。模拟得到的平均风剖面、湍流度剖面和脉动风速功率谱密度均与风洞试验结果吻合良好。采用该数值风洞对退阶模型进行了模拟风洞试验，模拟得到的压力系数和局部压力分布与风洞试验结果吻合良好。Jørgensen等[2]同样创建了风洞的精确数值模型，对低位立方体周围湍流场进行了风洞试验和数值风洞试验，模型表面风压的模拟结果与风洞试验结果同样吻合较好。本文创建了特定风洞的全尺寸数值模型，提取模拟风场的平均风剖面和湍流强度剖面与风洞标定试验结果对比以验证数值风洞方法的有效性。

1 数值模拟

1.1 计算模型1.1.1 几何模型

选择了国内建成时间较早，稳定运行，流场品质优良的TJ-2号风洞作为参考。同济大学TJ-2号风洞建于1996年，是一座中型建筑边界层风洞，其试验段全长15 m，宽3 m，高2.5 m，风速0.5～60 m/s可调。黄鹏等[3]进行了风洞标定试验，通过在风洞中组合布置尖劈、粗糙元和挡板这三种被动模拟装置得到了缩尺比为1 ∶500的符合各类地貌特征的大气边界层风场。本文选择符合B类地貌特征的风洞布置作为数值模拟验证对象，B类地貌大气边界层风场通过尖劈和粗糙元组合布置的方式实现。尖劈的尺寸如图1所示。

图1 尖劈尺寸示意图

粗糙元尺寸为75 mm×40 mm×60 mm，其迎风面积为75×60 mm2。风洞整体长度为15 m，尖劈布置在距入口处2.2 m，共四个，间距660 mm，距风洞侧壁510 mm。粗糙元呈交错排布，首行布置在距入口2.5 m处，共5个，间距500 mm，距风洞侧壁500 mm，第2行布置在首行后1 m处，共4个，间距500 mm，距风洞侧壁500 mm，共布置8行。预定的模型中心位置在距入口11 m的风洞中剖面处，具体风洞布置如图2所示。

图2 风洞布置示意图

1.1.2 数值参数和边界条件设置

基于standardk-ε两方程模型对TJ-2全尺寸风洞进行三维稳态雷诺平均方程求解。速度-压力耦合采用SIMPLE算法，离散格式采用二阶迎风格式，松弛因子采用缺省设置。计算收敛准则为：①残差下降到10-6；②风洞预定模型中心位置1.06 m高度处的风速监测点速度不发生变化。边界条件的设置见表1。

表1 边界条件

1.2 数值仿真结果

提取预定模型中心线位置的平均风速湍动能值，和同时按照风洞试验处理方式将参考高度定为Zg=1.06 m，以该点风速作为参考风速作出无量纲化的平均风速剖面。

ANSYS-Fluent商用计算平台对湍流度的取值是基于大气边界层中湍流各向同性假设。实际考虑到大气边界层中湍流的各向异性，顺风向湍流大于竖向湍流和横风向湍流，通常以顺风向湍流度为参考，将竖向湍流及横风向湍流无量纲化。Crown[4]认为横风向湍流为顺风向的75%，而竖向湍流度则是顺风向的50%，而邓燕华[5]通过对不同地貌的风洞试验研究给出了不同地貌下不同高度的三向湍流强度的比例关系。按照我国《公路桥梁抗风设计规范》(JTG/T3360-01-2018)给出的三向湍流强度关系为：Iv=0.88Iu,Iw=0.5Iu。将上述关系式代入湍动能的定义式可以得到顺风向湍流强度与湍动能的关系式：

Iu=(1.01k)1/2/u(z)

(1)

将模拟结果中的湍动能代入式(1)即可以得到模型中心位置的湍流强度剖面。

提取得到的平均风剖面和湍流强度剖面如图3所示。

由图3可看出，数值模拟得到的平均风速剖面和湍流强度剖面均与风洞试验结果拟合较好。在相对高度0.4以下模拟结果的平均风速较风洞试验结果略小，湍流强度较风洞试验结果略大。可能存在的原因有：①风洞试验得到的数据均由实际测点测得，而在近地面位置难以沿高度布置多个测点，近地面流场特征存在一定的误差；②数值风洞对壁面粗糙程度的估计比实际风洞要大，这样导致平均风速较实际风洞小而湍流强度略大。当然，数值模拟的结果与风洞试验结果差异较小，通过数值风洞方法生成大气边界层风场是完全可行的。

(a)平均风剖面

(b)湍流强度剖面图3 模拟结果与风洞试验结果对比

2 结 论

借助商用程序ANSYS-Fluent完成了几何缩尺比为1 ∶500的TJ-2风洞B类地貌大气边界层风场的数值模拟，模拟结果与物理试验结果整体吻合较好。通过对比发现，在相对高度0.4以下模拟结果的平均风速较风洞试验结果略小。这是因为湍流强度较风洞试验结果略大风洞试验得到的数据均由实际测点测得，而在近地面位置难以沿高度布置多个测点，近地面流场特征存在一定的误差。当然，数值模拟的结果与风洞试验结果差异较小，通过数值风洞方法生成大气边界层风场是完全可行的。

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