[发明专利]一种基于合成漩涡的三维零散度脉动风场生成方法

说明书

本发明公开了一种基于合成漩涡的三维零散度脉动风场生成方法，包括通过构建漩涡形函数三维表达式，建立目标脉动风场强度及湍流积分尺度与漩涡强度及尺度的关系，实现基于合成漩涡的各向异性脉动风模拟，在此基础上，通过优化漩涡强度与尺度参数的概率分布，建成联合考虑漩涡强度和尺度各向异性以及漩涡群变异性的脉动风生成方法。该方法可生成满足目标三维脉动风能量谱及其空间相关性的零散度风速场，实现高精度脉动风场合成，具有显著的有效性和应用性。

技术领域

本发明涉及计算风工程技术领域，具体为一种基于合成漩涡的三维零散度 脉动风场生成方法。

背景技术

来流脉动风场是研究指定区域流体运动及流固耦合问题的前提条件。有效 的脉动风场生成方法可为指定区域提供可靠的来流边界条件。该边界条件是影 响流体运动数值模拟和实验结果正确与否的关键要素之一。现有的脉动风场生 成方法可归纳为随机傅里叶法、数字滤波法和合成漩涡法三大类。随机傅里叶 法是一种基于傅里叶分解技术的近似合成方法(例如，谐波合成是随机傅里叶 法的代表性方法，它将脉动风场视作大量谐波的叠加)。随机傅里叶法可较好的实现风场空间相关性，但在时间相关性上表现不足。对此，引入高斯滤波， 通过卷积处理对风场时程序列实施数字滤波，使得合成的风场具有较好的时间 相关性。这一方法即为数字滤波法。不同于随机傅里叶法和数字滤波法，合成 漩涡法是从风场的物理结构出发，将风场视为有限个漩涡叠加的结果。合成漩 涡法作为一类较为新颖的脉动风场生成方法具有很大的发展潜力。该类方法的 基本理念是在某空间范围内随机生成一定数量的虚拟漩涡，每个漩涡携带由特定函数(称作漩涡形函数)确定的局部速度场，将所有漩涡携带的速度场叠加 在一起即可得到目标脉动风场。漩涡的移动速度、强度、尺度和形函数直接影 响脉动风场的空间和时间相关性。

然而现有合成漩涡法未合理明确漩涡尺度与风场湍流积分尺度的物理关 系，对漩涡各向异性和漩涡群变异性的考虑不足，无法有效生成同时满足多个 空间相关性条件的脉动风场。

发明内容

本发明提供一种基于合成漩涡的三维零散度脉动风场生成方法，解决现有 脉动风场模拟技术中存在的问题和不足。

为实现上述目的，本发明提供如下技术方案：一种以空气漩涡为基本对象， 以风场能量谱及其空间相关性为实现目标的基于合成漩涡的三维零散度脉动风 场生成方法，包括以下步骤：

S1、构建零散度风场的矢量场表达式；

S2、建立并求解脉动风场雷诺应力及积分尺度与漩涡强度及尺度的关系；

S3、在S1和S2模型的基础上，引入随机向量，用以考虑漩涡群强度和尺 度的变异性，建立漩涡群变异模型；

S4、生成随时间变化的空间漩涡群，进而通过漩涡叠加获得的脉动风速场。

优选的，所述S1中具体包括以下步骤：

1)将脉动风速u(x)表示为坐标变换矩阵[A]＝[a₁ a₂ a₃]与速度场u^*(x)的乘积，其中a₁，a₂，a₃为列向量，即u(x)＝Au^*(x)，并引入每个漩涡在三维笛卡尔空间 x＝[x₁ x₂x₃]上的强度矢量ε＝[ε₁ ε₂ ε₃]和尺度张量[σ]＝[σ₁ σ₂ σ₃]^T，进而提出新的漩涡 尺度形函数表达式f_σi，其公式为：

其中，V为目标空间体积；i,j＝1,2,3；k＝1,2,…,N，N为目标空间的漩涡数量；