IEC阵风与紊流共同作用下的流场特性分析

采用大涡模拟(LES)的方法求解不可压缩流体连续方程和N-S方程，对格栅紊流场的均匀性，以及IEC阵风与紊流共同作用下的流场特性进行了数值模拟分析。通过分析格栅紊流流场特性参数，得出本文格栅流场在格栅下游4 m处的均匀性达到要求。IEC阵风与格栅紊流场结合较好，可用于后续桥梁断面特性的研究。

风工程研究中，常采用主动模拟和被动模拟两类方法来模拟自然环境中风的紊流特性。主动模拟分为振动格栅[1]、振动尖塔[2]和多风扇风洞[3]等方法，被动模拟分为被动格栅[4]、尖劈[5]和粗糙元[6]等方法。在风洞实验中，一般采用在风洞入口处布置被动格栅的方式来模拟均匀紊流场。张明月[7]利用风洞试验的手段研究了测点与格栅间距、格栅板宽度以及单元格栅边长等对风参数的影响规律。文水兵[8]通过改变格栅板宽度以及间距的方式，调试出了A、B、C 三类地貌的紊流强度。

随着计算机技术的日渐成熟，计算流体动力学(Computational Fluent Dynamics)技术在风工程中的运用越来越多。且较风洞试验而言，数值模拟具有较强的灵活性、流场可观测和成本低等特点，成为了一种验证风洞试验的可靠手段。鲍泽辰等[9]将粗糙元、扰流杆以及格栅三者结合，采用LES 的方法，模拟了C类地貌的风场特性。杨荣菲等[10]通过LES 的方法，探讨了格栅稠度、来流风速以及格栅表面粗糙度，对格栅紊流场特性参数的影响。

Torrano 等[11]使用LES 方法对被动格栅紊流场进行了数值模拟， 并得出结论， y+在30~300 之间也可以得到较好的流场特性参数。验证了运用LES 紊流模型模拟格栅紊流场的可行性。

理想化的阵风模型可分为TSI 阵风模型和IEC 阵风模型[12]等，但有研究表明将TSI 阵风模型运用于桥梁抗风研究存在不足[13]。IEC 阵风模型是国际电工委员会制定的IEC61400-1 标准中提出的，其主要特点表现为风速在短时间内减小到最小值，接着又急剧增大达到最大风速值，随后又在极短时间内迅速下降再次变为最小值，最后恢复为阵风发生前的速度。赵元元[14]利用流体力学前处理软件Gambit 建立起1.0 MW 风机的叶片的三维模型，并通过UDF 用户自定义函数接口将极端运行阵风函数程序导入Fluent 中作为流场入口条件，验证了CFD 方法模拟极端运行阵风的正确性。Storey 等[15]基于国际风轮机设计标准IEC61400-1 建立了一种极端相关阵风模型，使用数值模拟中的LES 方法模拟了一组风力机在极端瞬态风条件下的运行情况。

基于此， 本文将运用CFD (Computational Fluid Dynamic)中LES 的方法， 通过Fluent 的UDF 接口将IEC 阵风模型作为流场入口风速条件，将格栅紊流场与IEC 阵风模型结合， 研究其可行性以及流场特性。

2. 紊流特性参数 紊流场的特性参数主要包括紊流强度、紊流积分尺度以及脉动风速功率谱等。

2.1. 紊流强度 紊流强度是紊流场中最简单但使用最多的参数，紊流强度是指风速根据空间和时间而变化的程度， 通常定义为脉动风速的标准差和脉动风速的平均值之比。