山区峡谷非定常风场特性的多尺度耦合数值模拟研究

More and more bridges crossing the mountain valleys have been built and are building in our country in recent years. However, the wind field characteristics of bridge sites are the essential information for wind resistance design of bridges. The accuracy of wind field parameters is the most important factor to affect the precision of wind-induced response analysis of a bridge. While some achievements were obtained in the previous studies, due to the complexity of the wind environment in mountain valleys, there exist still a series of problems, such as in the selection of turbulence model, the processing of boundary layer and the application of inlet boundary condition in the numerical simulation methods. In this proposed project, firstly, suitable large eddy simulation model and wall function will be studied and the parameter on the wind field characteristics of the mountain valley will be optimized. Secondly, the harmonic synthesis method will be used to generate the pulse time history of a three-dimensional random wind speed and the corresponding program module will be developed. Thirdly, the multi-scale coupling of the mesoscale atmospheric model and the CFD method is used to resolve the problems in wind tunnel test and the current CFD methods in which the inlet boundary conditions are difficult to be determined. Finally, the methodology proposed in this project will be verified in combining with the results of wind tunnel test and field measurement. A refined study on the wind field characteristics of the mountain valley will provide the theoretical foundation for the construction of large span bridges in the western mountain areas of our country.

我国目前已建成和正在修建的跨越深山峡谷的桥梁越来越多，桥址处的风场特性是桥梁抗风设计的先决条件，风场参数的准确与否将是影响桥梁风致响应分析精度最重要的因素。山区峡谷地形风环境特性极为复杂，当前的研究取得了一定的成果，但依然存在一系列的问题，特别是山区峡谷风场特性CFD模拟中的湍流模型选取、附面层处理以及入口边界条件的施加是当前数值模拟方法迫切需要解决的问题。本项目拟以数值模拟为主要研究手段，针对山区峡谷风场特性的特点，首先研究合适的大涡模型及壁面函数，并进行参数优化；其次通过谐波合成法生成三维随机风速的脉动时程并编制相应程序模块；然后采用中尺度大气模式与CFD的多尺度耦合方法，解决风洞试验以及当前CFD方法遇到的入口边界条件难以确定的难题，最后结合风洞试验及现场实测验证本项目方法的正确性，从而实现对山区峡谷风场特性的精细化研究，为西部山区大跨度桥梁的建设提供理论基础。

随着西部大开发战略的不断深入，我国在深山峡谷上修建的桥梁越来越多。桥址处的风场参数的准确与否将是影响桥梁风致响应分析精度最重要的因素，也是桥梁抗风设计的先决条件。山区峡谷地形风环境特性极为复杂，当前的研究取得了一定的成果，但依然存在一系列的问题，特别是山区峡谷风场特性风洞试验以及CFD模拟中的湍流模型选取以及入口边界条件的施加是当前数值模拟方法迫切需要解决的问题。.本项目以数值模拟为主要研究手段，为了得到准确的数值模拟结果，研究利用谐波合成法来生成不同紊流参数的空间随机风速时程，开发出适用于大涡模拟入口边界湍流的人工模拟方法，提出了一种准确模拟湍流入口边界的方法，开发了相应的软件模块程序，并申请了软件著作权。针对山区峡谷风场特性的特点，研究了中尺度大气模式与CFD的多尺度耦合方法，利用中尺度大气模式计算结果进行插值得到了CFD计算中复杂山区峡谷地形的入口边界条件，通过采用高阶插值的方法，实现了尺度转换过程中的高精度数据交换，提高了耦合面中平均量以及湍流脉动量之间的插值效率和精度，解决了风洞试验以及当前CFD方法遇到的入口边界条件难以确定的难题。.本项目实现了数值风洞中所需的空间三维随机风速脉动时程的生成及程序模块编制，并通过中尺度大气模式与CFD的多尺度耦合方法，解决了当前山区峡谷风场计算中碰到的瓶颈问题，实现了对山区峡谷风场特性的精细化研究，为西部山区大跨度桥梁的建设提供理论基础，具有重要的理论意义和广泛的工程应用前景。