數值風洞的研究現狀綜述

幸春林 孫業華

（中國瑞林工程技術有限公司，江西 南昌 330002）

數值風洞的研究現狀綜述

幸春林 孫業華

（中國瑞林工程技術有限公司，江西 南昌 330002）

對數值風洞的發展過程，基本理論及其應用現狀進行了系統的論述，進而促進數值模擬技術研究，以期解決工程中的大量問題。

數值風洞；數值模擬；湍流模型

（一）前言

由于全球氣候變暖的影響，近年來，有關風災損失的報道不斷增多，據有關統計，在國外，2004年的北美的“珍妮”、“查理”、“伊萬”等颶風造成了2000多人傷亡，直接經濟損失達500億美元；2005年的美國“卡特里娜”、“利塔”颶風造成逾千人傷亡，經濟損失高達千億美元；在國內，1994年8月9417號臺風襲擊浙江溫州等地，造成1000多人死亡，房屋倒塌21萬間，直接經濟損失達180億元；2004年8月“云娜”臺風造成我國浙江省約180人死亡，直接經濟損失200多億人民幣；2006年8月強臺風“桑美”在浙江溫州登陸，造成約200人傷亡，房屋倒塌2萬多間。風災已經成為自然界的主要災害之一，為了減少強風所造成的災害損失，許多發達國家都加大了風工程研究的投入力度。

（二）風工程的研究進程

1940年美國華盛頓州建成才4個月的Tacoma懸索橋在平均風速僅為18.8m/s的大風下扭轉倒塌，引起了人們對風荷載的重視，并由此展開了對風荷載特性和風對結構作用的廣泛研究。20世紀60年代，加拿大的A.G.Davenport教授將概率方法應用于風荷載特性研究和結構風響應的研究，奠定了結構風工程研究的基礎；大氣邊界風洞的出現標志著結構風工程已經成為一門獨立的學科。半個世紀過去了，結構風工程理論研究取得了巨大的進步，其研究成果也不斷地應用于工程實踐。

A.G.Davenport教授1991年將風工程的研究方法明確的分為：現場實測、風洞試驗、數值模擬和理論分析等四部分（見圖1）。現場實測是風工程研究風自身特性、風對結構效應以及結構破壞機理最有效、最直接的方法，也是修正風洞試驗方法、理論模型最為權威的依據。研究人員通過大量的現場實測將近地風處理成平均風速和脈動風速的疊加，給出了平均風速的風剖面和脈動風速的湍流強度、自功率譜、互功率譜以及湍流積分尺度等特征量的推薦公式。在實測風特性的同時，研究人員也關注著結構的響應，建造足尺模型供長期實測，例如：20世紀70年代早期英格蘭埃兒茲伯里試驗模型(Aylesbury Experimental Building)，20世紀80年代末英格蘭Silsoe結構模型(Silsoe Structures Building)以及80年代末美國德克薩斯大學的TTU模型(TTU Building)等足尺模型的實測結果是許多重要研究工作的直接依據。但是現場實測存在著費用高，周期長，難度大等特點。

用于土木工程研究的風洞是借鑒航空領域的技術和方法，并經過改造后的大氣邊界層風洞，對結構抗風研究發揮了巨大作用。一般的建筑結構在大氣邊界層內屬于鈍體范疇，氣流流經鈍體表面時會產生氣流碰撞、分離、環繞、再附著等物理現象，使得流動的機理更為復雜，要解決這些復雜的流動理論和計算方法卻是相當困難的；風洞自然成了結構風工程研究的主要工具。土木工程模型通過幾何縮尺后，放置大氣邊界層風洞中進行模擬。實驗相對簡單，但是理論上也存在一定的問題：1.型縮尺比的影響導致對雷諾數的模擬更加困難；2.風洞試驗采用的大氣邊界層被動模擬方法，很難實現高湍流強度的模擬，與實際情況有一定差別；3.對氣彈模型模擬的相似律不適合嚴重非線性的結構等；同時風洞試驗也存在試驗周期長，代價高等缺點。

隨著計算機技術飛速發展和流體動力學理論進步，數值風洞逐步成為風工程領域又一研究方法。數值風洞的核心就是計算流體動力學（Computational Fliud Dynamics,簡稱CFD），經過近30年來的快速發展，目前已廣泛應用到土木工程各個領域的研究，主要包括：工程結構繞流速度場和壓力場計算、結構流固耦合計算、建筑周圍地區和人行高度風環境的計算、城市或區域氣候計算、廢氣污染物的排放等問題。

圖1 風工程研究方法之間關系

（三）數值風洞研究現狀

脈動風湍流是大氣邊界層主要特征之一，土木工程結構在大氣邊界層中受近地風湍流作用的影響，結構風工程研究的是在湍流作用下的鈍體空氣動力學。鈍體周圍湍流流動復雜，湍流流動包括著脈動風湍流和結構本身在風中引起的局部湍流（或稱特征湍流），局部的脈動湍流頻率可達10kHz，即高雷諾數的湍流中可包含尺度為10μm～100μm的渦。鈍體繞流流動的復雜性和高雷諾數湍流流動等特點，決定了當今的數值風洞包含了最為困難的流體動力學內容。目前對高雷諾數下的風工程數值模擬技術尚未成熟，數值風洞仍處于剛剛起步階段。

CFD模擬包括數值計算方法、計算網格生成、湍流模型等內容。目前主要的數值模擬方法可分為：有限差分法、有限元法、有限體積法和渦方法；有限體積法物理意義明確，能夠保證離散方程的守恒特性，同時繼承了有限差分和有限體積法的優點，在CFD的商用軟件中應用最為廣泛。網格生成可采用結構網格和非結構網格，非結構網格具有構造方便，自適應能力強等特點，對計算域局部網格加密有較好的表現。

湍流模型是CFD數值模擬的核心內容之一。對湍流的直接數值模擬一直受計算機速度和容量的限制，由均勻各向同性湍流統計理論可知，湍流中小旋渦的尺度隨雷諾數(Re)的增加迅速減少。直接數值模擬計算所需要的最小網格尺度必須小于最小的旋渦，就目前的情況而言，直接數值模擬只能計算Re數約為103數量級的湍流。所以計算高雷諾數的湍流，直接數值模擬遇到了嚴重的挑戰。

湍流現象在自然界是普遍存在的，湍流基礎理論的應用范圍也比較廣，但是學者們經過了100多年的不懈的努力，湍流的基本機理仍然未完全搞清楚，湍流作為力學中最為困難的難題之一擺在世人面前。隨著計算機技術的飛速發展，各種服務于工業和工程的湍流模型不斷提出，湍流精細試驗進一步展開，共同推動著湍流機理的研究工作繼續向前發展。首先，迫于解決實際工作中的湍流問題，湍流模型理論應運而生；湍流模型理論以雷諾方程為基礎，依靠理論與經驗的結合，引入一系列的模型假設，建立一組描述湍流量的封閉方程組的理論計算方法。追溯到100多年前，采用布西內斯克(Boussinesq)渦團粘性系數模擬雷諾應力，其后，Prandtl、Baldwin、Lomax等發展了零方程模型，對附體流動壓強的分布可以得到較為滿意的結果；Spalart,Allmaras從經驗和量綱理論出發，發展了一方程模型，對層流固壁的湍流有一定的適用性；1971年Launder和Spalding提出的標準k-e模型是高Re數的湍流模型，對解決工業流動問題起到了極大的推動作用；Yakhot和Orzag通過重整化組的方法提出了RNGk-e模型，對處理高應變率及流線彎曲程度較大的流動有較好的表現；為了解決標準k-e模型在固壁上產生非物理奇點問題，Wilcox提出了k-w模型，對解決比較緩逆壓梯度流動能夠給出較滿意的結果，同時比標準k-e模型又更好的數值穩定性；Menter發展了SSTk-w（剪切應力輸送）模型，對解決自由剪切湍流、適度的分離湍流都有較高的計算精度。隨著鈍體空氣動力學的發展，人們逐漸認識到經典的k-e模型的渦粘假設不再適用于鈍體周圍的流動特征。為了克服鈍體流場所帶來的困難，直接建立雷諾應力微分方程，拋棄渦粘假設，實踐表明雷諾應力模型考慮了各向異性效應，在計算湍流運輸各向異性較強的流動時，計算結果優于兩方程模型。

同樣，在上世紀60年代，大渦模擬(LES)由Smagorinsky已經提出來了，但是人們對湍流的直接數值模擬抱有比較樂觀態度，對LES的研究一度被忽視，但是隨著人們認識到直接數值模擬的艱巨性，湍流界重新開始對LES進行研究。標準的SGS模型已經廣泛應用到LES的計算中，但是對于分析鈍體繞流場時，選擇常數Cs的值顯得比較困難，Germano等提出動力SGS模型，動力LES的出現使得預測高精度繞流鈍體的速度場和壓力場成為可能，動力LES在風工程的數值模擬中將有較好的應用前景。

目前對鈍體繞流問題，已經積累了較多的經驗，就有關立方體繞流問題的研究成果，已經成了檢驗各種計算模型和計算方法的標準之一；同時也為解決復雜體形建筑的繞流問題奠定了基礎。1997年Selvam等對TTU(Texas Tech University)建筑原型進行了數值分析研究分析，并采用了3種不同的來流條件，結果表明對平均值的預測與實測結果均吻合較好。

總之，湍流模型發展可分為僅表達大尺度渦運動的時均雷諾模型(RANS)和大渦模擬(LES)。目前，RANS模型適宜于計算鈍體表面的穩態風壓，要分析結構表面的脈動風壓則需要使用脈動入口邊界條件的大渦模擬，當然是以耗費巨大的計算資源為代價。隨著湍流試驗測試技術水平提高、數學理論、數值算法和計算機技術的不斷發展，21世紀我們必將解開湍流這一困惑百年的難題。

數值風洞有其自身優點：

1.試驗周期短，費用低。在計算機上可以方便的修改各種參數，研究不同方案下的試驗模型結果，優化設計方案；

2.可以方便的利用實測數據，設置求解參數或邊界條件。不受風洞試驗中的相似律等問題的困擾；便于理論模型的實驗；

3.試驗數據充足，圖形可視化。模型不受測點數目及布置部位的限制，風壓分布圖、流場流速分布圖，流線圖都可以完整的獲取。

（四）結束語

近些年來，學者們將CFD數值模擬技術用于風對結構作用的研究，是風工程領域的熱點之一。數值模擬過程中湍流模型選取較為重要，基于鈍體繞流問題復雜性，現有的湍流模型多少存在一定的不足，沒有哪個模型能夠解決所有問題；開發高雷諾數湍流模型將是一項艱巨的任務；針對鈍體繞流問題，數值斂散性問題較為嚴重。特別是對于RSM雷諾應力模型中 6個雷諾應力收斂；開發更穩定、有效的算法也是亟待解決的科研問題；但是存在的問題仍是計算量大和收斂困難等問題，要解決這個問題，需要多學科的研究人員的共同努力。

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TU311.3

A

1008-1151(2010)04-0075-02

2010-01-10

幸春林（1981－），男，中國瑞林工程技術有限公司助理結構工程師，從事建筑結構設計與研究工作。