基于相似理论的典型大气边界层流动的数值模拟研究

发布时间：2017-07-05 16:20

  本文关键词：基于相似理论的典型大气边界层流动的数值模拟研究

  更多相关文章： 相似理论 缩尺模型 数值模拟 相似准则 住宅小区

【摘要】：随着CFD技术的不断发展和完善,城市微气候的数值模拟技术被越来越多的人应用于科学研究和工程应用。城市微气候的研究区域从小的街区尺度到大的城市尺度,需要的网格数量越来越多,对计算机硬件设备要求也随之增高,限制了配置一般的计算机对此技术的应用。因此,期望用相似理论推导出的缩尺模型代替原型进行数值,来达到减少计算网格数量的目的,并其得出的模拟结果能还原到原型。目前,国内外学者在这个方面的研究很少。本课题以相似理论为理论基础,用基于Fluent软件和SST k-ω湍流模型的数值模拟方法,来验证基于中性大气流动的背景条件下住宅小区风环境的相似模拟的可行性和考虑对流传热和传导传热的情况下住宅小区风热环境的相似模拟的可行性。本课题根据相似理论推导出了以上两种条件下相应的相似准则；以住宅小区为原型,根据足尺模型与缩尺模型的相似准则相等,设计出了缩尺模型的理想介质物理属性和边界条件；对足尺模型和缩尺模型的模拟结果进行了无量纲化,并做了定性和定量分析。得出的结论有：(1)在基于中性大气流动的背景条件下：a)利用相似理论推导出的缩尺模型的无量纲化模拟结果与足尺模型的无量纲化模拟结果基本吻合,也就是说由相似理论推导出的缩尺模型的模拟结果来还原原型的想法是可行的；并达到缩尺模型网格数量比足尺模型的有所减少的期望目的；b)缩尺模型与足尺模型的无量纲化结果存在较大的误差的区域主要在前后建筑之间的区域;c)缩尺模型与足尺模型在顺风道上吻合最好；d)风速相对风压系数更容易出现较大的误差；e)风压系数的相对误差不超过20%。(2)在考虑对流传热和传导传热的情况下：a)利用相似理论推导出的缩尺模型的无量纲化模拟结果与足尺模型的无量纲化模拟结果基本吻合,也就是说由相似理论推导出的缩尺模型的模拟结果来还原原型的想法是可行的；并达到缩尺模型比足尺模型网格数量减少的期望目的；b)缩尺模型与足尺模型的无量纲化结果存在较大的误差的区域主要在建筑物背风区和建筑物左侧面区：c)温度相对误差较大对风速的影响很大并且范围较广；d)风压系数的相对误差不超过20%。
【关键词】：相似理论 缩尺模型 数值模拟 相似准则 住宅小区
【学位授予单位】：广东工业大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2016
【分类号】：TU119;TU312
【目录】：

• 摘要4-5
• ABSTRACT5-13
• 第一章 绪论13-20
• 1.1 研究背景13-14
• 1.2 研究意义14-15
• 1.3 国内外研究现状及分析15-17
• 1.3.1 微气候的研究方法15-16
• 1.3.2 城市微气候的研究内容16-17
• 1.4 课题来源及研究内容17-20
• 第二章 相似理论基础知识20-26
• 2.1 现象相似20-24
• 2.1.1 相似常数和相似定数20
• 2.1.2 几何相似(空间相似)和时间相似20-21
• 2.1.3 物理量的相似21-22
• 2.1.4 相似准则与相似指标22-24
• 2.2 相似三定理24-26
• 2.2.1 相似第一定理24-25
• 2.2.2 相似第二定理25
• 2.2.3 相似第三定理25-26
• 第三章 居住小区风热环境数值模拟方法26-41
• 3.1 流体与流动的基本特征26-28
• 3.1.1 黏性流体与理想流体26
• 3.1.2 牛顿流体与非牛顿流体26-27
• 3.1.3 可压流体与不可压流体27
• 3.1.4 定常流与非定常流27-28
• 3.1.5 层流与湍流28
• 3.2 流体流动的控制方程组28-30
• 3.3 湍流的数值模拟方法30-35
• 3.3.1 直接数值模拟方法30
• 3.3.2 大涡模拟方法30-31
• 3.3.3 Reynolds平均法(RANS)31-32
• 3.3.4 零方程模型与一方程模型32
• 3.3.5 标准k-ε模型32-33
• 3.3.6 k-ω模型33-35
• 3.4 控制方程的离散和求解方法35-36
• 3.4.1 网格的划分35
• 3.4.2 控制方程的离散35-36
• 3.5 数值模拟方法的验证36-41
• 3.5.1 概述36
• 3.5.2 计算域的确定和网格的划分36-38
• 3.5.3 边界条件38
• 3.5.4 模拟结果对比分析38-40
• 3.5.6 结论40-41
• 第四章 基于中性大气流动的住宅小区风环境相似模拟41-67
• 4.1 相似准则数的推导41-42
• 4.2 分析模型的建立42-43
• 4.3 工况设计43
• 4.4 计算域的确定43-44
• 4.5 网格划分44-46
• 4.6 边界条件设置46
• 4.7 求解控制参数设定和收敛控制设置及结果46-47
• 4.8 模拟结果与分析47-65
• 4.8.1 模拟结果的定性分析48-52
• 4.8.2 模拟结果的定量分析52-65
• 4.9 本章小结65-67
• 第五章 考虑浮力影响的住宅小区风热环境的相似模拟67-98
• 5.1 相似准则数的推导67-69
• 5.2 工况设计69-70
• 5.3 网格划分70-71
• 5.4 边界条件设置71-72
• 5.5 求解控制和收敛控制及结果72-73
• 5.6 模拟结果与分析73-97
• 5.6.1 模拟结果的定性分析74-78
• 5.6.2 模拟结果的定量分析78-97
• 5.7 本章小结97-98
• 结论与展望98-100
• 本文主要结论98
• 存在的问题及展望98-100
• 参考文献100-105
• 攻读硕士学位期间发表的论文105-106
• 致谢106

【参考文献】

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本文编号：522710