华南理工大学杨易研究员为您解读高层建筑标模脉动风压特性大涡模拟适用方法

随着计算机数值模拟技术的快速发展，计算风工程成为风工程领域中最受关注的研究方向之一。但相较于技术成熟的物理风洞试验方法，始于20世纪80年代的基于计算流体动力学CFD的计算风工程数值模拟（或称数值风洞）技术，距实现真实建筑结构复杂湍流风场（图1）全尺度、高分辨率和全物理过程模拟，还有很长的路要走。其中，一个需要攻克的基础性难题是对湍流边界层风场环境的准确数值重构（图2），这是进行任何数值风洞模拟研究包括雷诺平均（RANS）方法以及当前研究热点大涡模拟（LES）的前提。

在基于时均RANS的边界层风场模拟研究中，课题组前期提出的平衡态边界层风场数学模型 ^[1] ，在国内外风工程及相关领域得到较广泛的关注（已被OpenFOAM收录）。而基于LES的湍流边界层的模拟相对RANS更复杂，不仅需模拟平均风特性，更重要的是要重构脉动风湍流特性。着眼于LES模拟中湍流风场的准确重构及其对风荷载的影响问题，发表在《建筑结构学报》2022年10期的《高层建筑标准模型脉动风压特性大涡模拟适用方法研究》 ^[2] 一文中在此前研究基础上开展数值模拟比较研究。

针对LES模拟中湍流风场数值重构的难题，近年来国内外研究团队提出了多种解决方案和数学模型。基于湍流合成技术（RFG），利用CDRFG ^[3] 和课题组提出的NSRFG ^[4] 这2种方法，以高层建筑标准模型（CAARC模型）为研究对象，对其脉动风压场进行详细的数值模拟比较研究。以风洞试验结果（图3）为参照，详细分析不同方法模拟得到的建筑表面平均和脉动风压系数、绕流风场形态以及风压概率分布特性，以检验这2种方法模拟钝体绕流的适用性及准确性，为进一步完善该方法以及工程应用奠定基础。

在进行建筑绕流模拟（图4、5）之前，首先需要进行大气边界层空域风场的数值模拟验证（图6、7）。虽然NSRFG方法相比CDRFG方法其数学模型更简洁，但其中的参数设置也较复杂，参数取值影响数值风洞模拟结果，因此在应用此类方法时需谨慎，建议参考文献[4-6]。在LES模拟中，亚格子模型对数值模拟结果影响也很显著。此外，在数值风洞模拟中需进行模拟结果的网格无关性检验。

4.1 风压系数

根据JGJ/T 388―2014《建筑工程风洞试验方法标准》，对CAARC标模2 H /3高度处测点的平均、脉动风压系数进行分析（图8）。结果表明，NSRFG和CDRFG方法得到各测点的平均风压系数与风洞试验基本一致；而对于脉动风压系数，NSRFG方法结果与风洞试验吻合相对更好。更多风压模拟结果的比较，在此前已进行过详细探讨，建议参考文献[4-6]。

4.2 流场分析

对LES模拟得到的钝体建筑绕流湍流风场采用可视化处理（图9~11）。结果显示：来流风场在CAARC标模迎风侧面发生流动分离，产生明显的分离旋涡和交替涡脱现象；受来流风携裹，在建筑背风面和尾流区，形成大范围复杂分流尾涡结构。相较DSRFG方法，NSRFG方法模拟得到的建筑背风面流动分离区的湍流涡旋结构更丰富——这意味在相同的网格尺度上，耗费更少计算资源的NSRFG方法能更精细地反映和刻画钝体分离流的复杂湍流结构和细节。

4.3  脉动风压非高斯特性

进一步从概率分布特性角度分析建筑模型不同部位的脉动风压特性。结果显示：

1）建筑迎风面风压系数均符合高斯分布特性，而在侧风面和背风面表现出明显的非高斯分布特性。由NSRFG方法得到了建筑立面测点风压概率分布特征，如图12所示；

2）相对而言，NSRFG方法能较好地模拟出建筑表面脉动风压的偏度、峰度与概率密度分布等脉动风压特性。

基于目标概率法，最后给出CAARC标模2 H /3高度处测点的极大和极小峰值因子（图13）。总体上，相对而言，NSRFG方法计算结果与风洞试验数据吻合较好，CDRFG方法计算的偏差主要由其模拟的脉动风压在流动分离区不能很好展现出非高斯特性所致。

5.1 总结

1）通过对CDRFG LES方法和NSRFG LES方法模拟的CAARC标模脉动风荷载特性的多维度对比研究，显示后者精度相对更好。

2）相对而言，NSRFG方法数学模型更简洁、计算效率更高，是一种具有较好应用前景的通用LES入口湍流生成方法。

5.2 问题探讨

NSRFG方法被提出以来在领域内引起广泛关注。而通过数值模拟显示，由于LES模拟中网格滤波效应，入流湍流在计算域中存在一定衰减（图7），这是湍流合成方法（包括CDRFG、NSRFG方法）的固有问题，因此NSRFG方法并不能完全解答这一复杂问题。

在国内外特别是国内研究团队如香港城市大学、重庆大学、华南理工大学、同济大学、哈尔滨工业大学（深圳）等的持续努力下，湍流合成方法不断升级，新的RFG模型不断被提出，包括NSRFG方法在内的边界层湍流模拟方法将不断完善。

致谢：

感谢已毕业余远林，以及胡晓兵、罗凯文、季长慧等研究生在NSRFG方法研究中的工作，感谢亚热带建筑科学国家重点实验室风洞团队！

参考文献

[1] YANG Yi, GU Ming, CHEN Suqin, et al. New inflow boundary conditions for modeling the neutral equilibrium atmospheric boundary layers in Computational Wind Engineering[J]. Journal of Wind Engineering and Industrial Aerodynamics, 2009,97(2): 88-95.

[2] 胡晓兵，杨易. 高层建筑标准模型脉动风压特性大涡模拟适用方法研究[J]. 建筑结构学报，2022,43(10): 95-103.

[3] ABOSHOSHA H, ELSHAER A, BITSUAMLAK G T, et al. Consistent inflow turbulence generator for LES evaluation of wind-induced responses for tall buildings[J]. Journal of Wind Engineering and Industrial Aerodynamics, 2015, 142:198-216.

[4] YU Yuanlin, YANG Yi, XIE Zhuangning. A new inflow turbulence generator for large eddy simulation evaluation of wind effects on a standard high-rise building[J]. Building and Environment, 2018,138: 300-313.

[5] 杨易，季长慧，张之远，等. 一种改进的大涡模拟入口湍流生成方法研究[J]. 工程力学，2021,38(12):17-24.

[6]胡晓兵，杨易. 基于NSRFG方法的标准地貌风场大涡模拟研究[J]. 工程力学，2020,37(9):112-122.