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摘要：下击暴流是一种雷暴天气中较为常见的非平稳近地面强风，为实现入口湍流的模拟更符合实际雷暴冲击风的湍流场，得到更精确的湍流数值结果。在速度入口处引入一种湍流生成方法用于模拟稳态雷暴冲击风出流段山地风场。选用大涡数值（LES）方法和雷诺平均（RANS）方法，通过用户自定义函数（UDF）生成速度入口湍流，利用不同参数，验证光滑平地壁面射流模型中速度入口湍流生成方法的准确性和精确度。

关键词：大涡模拟；NSRFG方法；入流湍流；雷暴冲击风出流段

基金项目：重庆科技大学大学生科技创新训练计划项目（项目编号：2023107）

1.前言

下击暴流（雷暴冲击）是指一种雷暴云中局部性的强下沉气流，到达地面后会产生一股直线型大风，越接近地面风速会越大，最大地面风力可达十五级。属于突发性、局地性、小概率、强对流天气。对输电线塔、桥梁和建筑等结构物有着重大的安全威胁。作为结构抗风设计的重要依据，风剖面特征是雷暴冲击风出流段研究的重要关注点之一。李艺等[1]通过建立静止与移动型下击暴流风场进行CFD数值模拟，对下击暴流风场特性进行了研究。钟永力等[2]采用UDF 方法实现了非稳态下击暴流壁面射流段风场的数值模拟研究，得到了与实测记录较为吻合的风速时程。

Yu[3]等基于以有研究基础，提出一种改进的入口湍流生成方法NSRFG。该方法可严格保证入口湍流满足连续性条件，且计算精度和效率相对此前的RFG系列方法得到较大提高，是计算雷暴冲击风出流段数值模拟中较有前景的一种入流湍流模拟方法。

2.计算设置

几何模型采用ICEM进行建模，模型计算如图1所示，图中x、y和z分别为计算域顺风向、横风向和竖向。计算域喷口高度b =60mm，考虑壁面射流的二维效应及本文研究山体模型尺寸，计算域横风向宽度取y =20b，顺风向长度取x =100b，考虑壁面射流风剖面高度，计算域竖向高度取z =15b。

雷暴冲击风出流段入口的边界条件选用速度入口，入口风速及湍流通过UDF添加，平均风速Ujet =25m/s，在速度入口边界设置中添加x，y，z方向速度分量；对有回流的出口，压力出口边界条件更容易收敛，因此顶部和右侧选用自由出口；底部选用无滑移壁面，出于对计算资源的考虑，两侧选用对称边界。

本节选用RANS湍流模型中经典的标准[k-ε]模型与LES方法来研究壁面射流的流动特性，其中RANS方法中的残差方程收敛准则为默认，计算时间步长[Δt=1e-4s]；LES方法中亚格子模型采用Smagorinsky-Lilly模型；为保证库朗数小于1，计算时间步长[Δt=5e-5s]，压力和速度场耦合采用SIMPLEC 算法，空间离散算法采用最小二乘法，采用有界中心差分对动量进行离散，残差方程收敛准则为[1e-6]。

3.网格划分

本文采用结构化网格进行划分。考虑到大涡模拟的精度与网格划分质量密切相关，对网格要求较高，对近壁面区域进行加密处理，使第一层网格节点距离壁面的无量纲距离[y+=Δyτω/ρ/ν≤1]，[Δy]为近壁面第一层网格到壁面的最小距离，[ν]为空气的运动粘性系数，[τω]为壁面切应力，[ρ]为空气密度。

图2为本文计算模型的网格划分示意图，图中给出了模型近壁面和速度入口处部分网格。

4.雷暴冲击风出流段平地风场无量纲分析

4.1平均风剖面

光滑壁面射流不同顺流向位置的归一化平均风剖面与OB模型、Wood模型、Eriksson等[4]的试验数据对比结果如图3。不同顺流向位置的归一化平均风剖面与Wood模型和Eriksson等的试验结果基本一致，与OB模型的试验结果存在一定误差，且各个归一化平均风剖面在无量纲高度y/y1/2=1时，其对应的无量纲最大风速U/Um相等。

图4为标准[k-ε]模型和LES模型，雷诺数Re =20000时，壁面射流在x/b =40时无量纲平均风剖面与试验的对比。从图4中可以看出两种模型计算结果与试验结果基本一致，在y/y1/2<1区域，[k-ε]模型较LES模型得到的无量纲平均风剖面实验结果最大速度位置趋于壁面，LES模型计算结果与Eriksson等[4]试验结果更吻合，在y/y1/2>1区域，LES模型更符合刘博伟[5][k-ε]模型与刘博伟试验结果存在一定误差。

4.2扩展率

平均风速扩展率即壁面射流半高y1/2随顺流向距离线性正相关，可表示为dy1/2/dx。如式：

图5为雷诺数为20000时，LES模型得到的壁面射流半高y1/2与各顺流向位置间的关系。通过LES计算得到的扩展率A1为0.077。对无协同流的壁面射流，Launder和Rodi[5]

提出dy1/2/dx取值范围是0.073±0.002；Abrahamsson等[6]发现壁面射流扩展率与雷诺数有关，当雷诺数从10000增大到20000时，扩展率从0.081变化到0.075；Eriksson等的试验采用LDV测量得到的结果为0.078，其雷诺数为10000。说明扩展率随雷诺数的增大而减小，且不同试验测量仪器的不同对扩展率也存在一定影响。

4.3Um与y1/2的关系

George等[7]提出Um/Uj和y1/2/b 之间的关系可以用指数率来表示，如下式：

式（2）中，Uj为射流出口速度，b为射流喷口高度，根据对试验数据的总结可以得到系数B0=1.09，n =-0.528。

采用射流入口速度Uj以及射流高度尺度对射流最大速度及半高进行无量纲化处理，如图6所示。模拟结果得到的B0=1.182略大于George等[7]得到的经验常数B0，这是由于B0是与雷诺数相关的。

5.结论

①以半高和最大风速对测点速度和高度进行无量纲化分析，对比表明本文采用的入口湍流生成方法能够生成完整的竖向风速剖面，对近壁面风速和最大风速能够准确模拟。

②对比表明射流半高与径向距离线性正相关，数值模拟得到的扩展率A1=0.077，符合流场发展规律。

③分析表明Um/Uj和y1/2/b满足对数率关系。

参考文献

[1]李艺，黄国庆，程旭，等.移动型下击暴流及其作用下高层建筑风荷载的数值模拟[J].工程力学，2020，37（3）：176-187.

[2]钟永力，晏致涛，王灵芝.基于壁面射流的下击暴流非稳态风场大涡模拟[J].西南交通大学学报，2018，53（06）：1179-1186.

[3]YuY，Yang Y，Xie Z.A new inflow turbulence generator for large eddy simulation evaluation of wind effects on astandard high-rise building [J].Building and Environment，2018，138：300−313.

[4]Eriksson J G，Karlsson R I，Persson J.An experimental study of a two-dimensional plane turbulent wall jet [J].Experiments in Fluids，1998，25（1）：50-60.

[5]刘博伟.考虑粗糙度的壁面射流风场研究[D].重庆科技学院，2020.

[6]Abrahamsson H，Johansson B，L Löfdahl.Turbulent plane two-dimensional wall-jet in a quiescent surrounding [J].European Journal of Mechanics/b Fluids，1994，13（5）：533-556.

[7]George W K ，Abrahamsson H ，Eriksson J ，et al.A similarity theory for the turbulent plane wall jet without external stream[J].Journal of Fluid Mechanics，2000，425：367-411.