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2024-11-13

VE0309 | 大气边界层试验

描述

本例基于德国WTG文档中的大气边界层(ABL)测试：委员会3的说明书 - 风流数值模拟，第9.1章（参见参考文献）。在进行每个数值模拟之前，应通过在空隧道中测试其发展来检查定义在流入处的大气边界层是否到达结构。这不仅影响速度分布，还影响湍流量。测试必须针对稳态（RANS）和瞬态（URANS，LES）计算进行。本文中，展示了EN 1991-1-4定义的地形类别I至IV的速度场、湍动能场和湍流耗散率场的发展。使用的是根据第6.3.1章的垂直各向异性湍流和RANS k-ω SST湍流模型。

流体特性	运动粘度	ν	1.500e-5	m²/s
流体特性	密度	ρ	1.250	kg/m³
风洞	长度	D_x	800.000	m
	宽度	D_y	80.000	m
	高度	D_z	300.000	m
计算参数	参考速度	u_ref	20.000	m/s
	参考高度	z_ref	10.000	m
	冯·卡门常数	κ	0.410
	湍流粘度常数	C_μ	0.090

在风洞中进行的测试，模拟一个没有任何障碍物的环境下的大气边界层。重点是对气流的研究。

大气边界层测试

分析解

没有可用的分析解。此示例提供了空风洞中所选量场发展的概述。

风速剖面由下列方程计算：

u (z) = \frac{u_{*}}{κ} \ln (\frac{z + z_{0}}{z_{0}})

z₀

粗糙度长度

风速剖面

其中u_*是摩擦速度，定义为：

u_{*} = \frac{u_{ref} κ}{\ln (\frac{z_{ref} + z_{0}}{z_{0}})}

摩擦速度

湍流k剖面按照下列方程定义：

k (z) = \frac{u_{*}^{2}}{\sqrt{C_{μ}}}

C_μ

湍流模型的参数

湍流 k 剖面

湍流ω剖面按照下列方程计算：

ω (z) = \frac{u_{*}}{κ \sqrt{C_{μ}}} \frac{1}{z + z_{0}}

湍流ω-剖面

RWIND模拟设置

在RWIND 3.03.0220中建模
稳态流动模拟类型
网格密度为28%：2,482,465个单元
隧道边界层的数量为10
底部第一个单元的高度为0.046 m
y+范围从800到1,000
RANS k-ω SST湍流模型
入口边界条件 - ABL v, k, ω；零压力梯度
隧道底部 - 无滑移边界条件
隧道墙和顶部 - 滑移边界条件
出口边界条件 - 零压力；零速度梯度

结果

验证指标根据WTG：委员会3的说明书 - 风流数值模拟，第5.3.2章（参见参考文献）计算。首先，计算压力系数均值的命中率参数q的值。考虑相对偏差W_rel。

\begin{matrix} q = \frac{n}{N} = \frac{1}{N} \cdot \sum_{i = 1}^{N} n_{i} \\ n_{i} = \{\begin{cases} 1, & if |\frac{P_{i} - O_{i}}{O_{i}}| \leq W_{rel} \\ 0, & else \end{cases} \end{matrix}

N	Total number of data points
n_i	Indicator function (1 if prediction is “correct”, 0 otherwise)
P_i	Predicted value
O_i	Reference value
W_rel	Allowed relative deviation