介绍
在计算流体动力学 (CFD) 中，边界条件 (BC) 在定义流动域行为中起着至关重要的作用。在处理瞬态时变模拟时，入口边界条件的定义与稳态模拟相比变得显著更复杂（图1）。这是因为瞬态入口BC不仅涉及空间变化（入口表面的二维），还涉及时间依赖性，导致本质上大量的数据。特别是，当需要在入口处表征湍流时，需要一个非常精细的分辨率来正确捕捉波动。此功能允许工程师在风模拟中引入现实的阵风、湍流和瞬态流入波动。与仅捕捉平均风效应的稳态方法不同，TVIBC 重现了在风暴、飓风和极端风事件中观察到的速度和湍流强度的快速变化。
时变入口边界条件的概念
在 TVIBC 方法中，入口速度不仅仅被规定为一个平均风剖面。相反，它被建模为：
这种时间变化确保了进入的气流带有类似于大气边界层 (ABL) 中观测到的真实湍流结构、一致的阵风和能谱。
时变边界条件数据的来源
可以采用几种方法来获得定义瞬态入口边界条件的数据：
- 实验测量
直接导入风洞测试或现场活动中测量的数据提供了高度逼真的流入条件。然而，该方法资源密集且受实验可用性的限制。
- 合成湍流生成器
数值湍流生成器可以生成具有规定统计特征的流入条件。这种方法灵活但可能无法完美复制真实湍流谱。
- 重用瞬态模拟结果（周期性BC）
可以将单独的瞬态模拟的结果作为另一个CFD模型的流入条件重复使用。这种周期性方法特别高效，确保了湍流结构的统计一致性。
更多信息和实施：
使用时变入口边界条件比稳态入口条件的优势
✅ 湍流的现实表现
- 捕捉影响结构表面的压力波动的瞬态阵风、涡流和湍流谱。
- 对于对动态风作用敏感的高层建筑、细长塔、桥梁和轻型屋顶来说至关重要。
✅ 改进的荷载预测
- 时变流入直接允许风速因子、动态放大和峰值压力的估算，而不是依赖经验修正因子。
- 降低在关键设计值（如基础剪力、倾覆力矩和支座反应）中的不确定性。
✅ 与实验数据的验证
- 许多风洞研究表明，结构会经历非平稳载荷。
- 与稳态流入方法相比，TVIBC模拟与风洞实验和现场测量的结果更一致。
✅ 符合标准和指南
- 现代规范（如，欧规范 EN 1991-1-4，ASCE 7-22，WTG-Merkblatt）强调阵风效应和湍流的作用。
- TVIBC 为包括这些影响提供了直接的计算路径，有助于满足审批工程师的期望。
结论
时变入口边界条件代表了计算风工程的重大进步。通过超越稳态假设，它允许工程师捕捉大气湍流的全面动态特性及其对结构的影响。尽管计算成本更高，但改进的准确性和与实验数据的更好一致性使TVIBC成为关键项目中不可或缺的工具，特别是在安全性、使用性和审批接受依赖于现实风荷载预测的情况下。
