基于κ_sgs与θ_sgs2输运的中性大气边界层大涡模拟  

Large-Eddy Simulation of Neutral Atmospheric Boundary Layer Based on κsgs and θsgs2 Transports

作　　者：黄雨欣 鲁昊 

机构地区：[1]华中科技大学中欧清洁与可再生能源学院,湖北 武汉 [2]华中科技大学能源与动力工程学院,湖北 武汉

出　　处：《流体动力学》2024年第3期23-34,共12页International Journal of Fluid Dynamics

摘　　要：大气边界层(ABL)中标量的仿真对于掌握大气中温度、湿度等的分布,污染物的扩散规律及预测雨水的生成等均具有重要意义。大涡模拟(LES)是当前ABL湍流仿真的主要方法,其关键是如何利用解析尺度的速度场和标量场信息构建亚网格(SGS)应力模型和通量模型。对于ABL湍流这一典型的高雷诺数条件下的非各向同性湍流,以Boussinesq假设为出发点构建的粘性SGS模型存在先验误差较大、后验耗散过强等许多问题。本研究引入一种新的非线性SGS通量模型,该模拟不预先假设能量的传输方向,基于速度和标量的梯度计算SGS通量的结构(矢量分量的相对大小),且摈弃局部平衡假设,采用动力学方程考虑能量反传,预测SGS通量强度的动态演化过程。研究采用一个中性ABL基准工况,通过与已有的理论预测和各种流动统计的对比进行系统的考察来对模型进行评估,同时也与传统粘性SGS模型的表现进行比较。具体地,当LES达到统计稳定后,我们重点关注了在不同网格条件下模型对无量纲速度梯度、无量纲标量梯度、能谱及流场结构等的预测结果。结果表明,除了可以获取可靠的流场结构,相比传统粘性SGS模型,新模型对无量纲梯度预测的准确度有明显提升,且对湍流能谱的预测有显著改善。此外,我们讨论了新模型预测效果提升的原因,相较于传统粘性SGS模型存在耗散较强的问题,新模型采用动态非线性的建模方法,可以预测ABL湍流中能量的逆向输运,并更好地捕捉小尺度的涡旋。The simulation of scalars in the atmospheric boundary layer (ABL) is of great significance for understanding the distribution of temperature, humidity, and other factors in the atmosphere, as well as the diffusion patterns of pollutants and the prediction of rain generation. Large-Eddy Simulation (LES) is currently the main method for ABL turbulence simulation, and the key is how to construct sub-grid

关 键 词：大涡模拟 亚网格通量 非线性 局部平衡 大气边界层 

分 类 号：O35[理学—流体力学]