速度剪切流中圆柱体绕流特性的数值模拟

    自然界的风场主要有良态风场和特异风场。现行的桥梁与结构抗风设计方法主要是针对常规良态风场，而实际风灾害绝大多数是由极端风气候、突变风等特异风引起的，如龙卷风、台风、下击雷暴风等。特异风通常具有强速度剪切特性、特殊风速剖面、强旋转气流以及复杂的时空分布特性。目前国内针对特异风的研究很少。瞿伟廉等［19］通过数值方法模拟了作用在某输电塔结构上的下击暴流荷载时程。赵杨等［18］利用主动控制风洞模拟出了雷暴冲击风阵风剖面( 如图 1 所示) ; 然后，采用“阶跃流法”模拟了风速突变的时程; 最后将高层结构模型置于该突变气流中，观测在特殊气流中结构表面风压以及结构空气动力学参数的变化特征。本文针对其中风速剪切特性，对置于剪切流中的圆柱体气动力特性、尾流特性展开研究。

    目前针对考虑速度剪切效应的圆柱体绕流问题的研究主要集中在航空航天领域，但由于其所关心的问题是升阻比，和风工程存在差异，因此需要从风工程角度对置于剪切流中的圆柱体绕流问题进行研究。在这方面国外学者已有一些试验研究，Adachi 和 Kato［1］研究了在 Re = 2． 67 ×10³～ 1． 07 × 10⁴和 0 ＜ β ＜0． 05 范围内的圆柱体绕流问题，结果表明阻力和升力都随着 β的增加而增加，且升力的方向是由高速侧指向低速侧。Hayashi 和 Yoshino［4］对在 Re =6 ×10⁴，β =0． 25 的流场中的圆柱气动力问题进行了研究，发现阻力相比于均匀流是减少的，但升力方向仍然是由高速侧指向低速侧。Sumner 和 Akosile［12］在小的剪切参数范围( 0 02 ＜β ＜ 0． 07) 和雷诺数 Re = 4． 0 × 10⁴～ 9． 0 × 10⁴条件下的研究发现阻力与升力的结果和 Hayashi 和 Yoshino［4］的结果基本相同。但是目前对这一问题的数值模拟研究较少，且都是进行二维的计算。Tamura 等［14］对处于Re = 40，80，0 ＜ β ＜ 0． 20 的剪切流中的圆柱体绕流问题进行了数值模拟研究。Lei 等［9］采用上游差分法对 Re= 50 ～ 160，0 ＜ β ＜ 0． 2 的流动进行了二维数值模拟。Lei 和 Tamura 都预测在剪切流中前端的驻点位置会向高速侧移动; 但是 Lei 的结果表明升力方向是指向低速侧的，而 Tamura 则认为是相反的方向。由此可见，对这种流场还有许多问题没有澄清，因此很有必要采用三维数值模拟方法对其进行进一步的细节研究。

    本文针对上述 4 个气流特点中的风速剪切特性，对置于剪切流中的圆柱体气动力特性展开研究，并且引入剪切参数 β 表示速度剪切强度，β = G( D/Uc) ，其中 G 是速度梯度，D 是圆柱直径，Uc是圆柱正前方来流的平均风速，如图 2 所示。雷诺数为Re = UcD / ν，因此当 Uc不变时，可以通过改变速度梯度 G 来改变剪切参数，即可以在雷诺数不变的情况下改 变 剪 切 参 数。本文计算的雷诺数分别 为 Re = 60，80，150，200，220，500 和 1 000，其中当 Re = 60，80，150，200 和 220 时采用三维直接数值模拟( DNS) ，Re =500 和 1 000 时采用基于 Smagorinsky 动态亚格子模型的三维大涡模拟( LES) 。本文主要研究气动力特性随剪切参数 β 和雷诺数的变化情况，并分析产生这些气动现象的物理机理。