带协同流壁面射流的数值模拟模型及影响规律

摘要：针对下击暴流中的壁面射流模型，采用4种不同湍流模型的CFD方法比较分析了带协同流壁面射流在不同发展阶段的平均风剖面及雷诺应力等流场特性.结果表明，使用修正的RSM得到了与实验较为吻合的结果，对带协同流壁面射流的数值模拟是有效和准确的.使用修正的雷诺应力模型（RSM）分析了不同协同流和射流风速比β对壁面射流平均风剖面、壁面摩擦因数等参数的影响.分析结果显示：当β值从0.1增大到0.3时，相同位置处的速度越大，最大速度衰减越慢，壁面摩擦因数减小越快，内、外层相互作用越弱.

关键词：壁面射流；湍流模型；平均风剖面；雷诺应力；风速比

中图分类号：TU311文献标志码：A

A Numerical Study of the Wall Jet with Co-flow and the Effects of Velocity Ratio

ZHONG Yongli 1， YAN Zhitao 1，2 ？偉j ， YOU Yi1，3

（1.School of Civil Engineering， Chongqing University， Chongqing 400045， China；2. School of Civil Engineering and Architecture， Chongqing University of Science and Technology， Chongqing 401331， China；

3. Electric Power Research Institute， State Grid Xinjiang Electric Power Company， Urumqi 830011， China）

Abstract： The wall jet with co-flow was used as the outflow model of downburst. Four turbulent models were used to analyze the flow characteristics of wall jet with co-flow along the downstream direction. Results show that the prediction of modified RSM is in close agreement with experimental data. The modified RSM is effective and accurate for the wall jet with co-flow and also used to investigate the effect of ratio of the wall jet bulk velocity and the co-flow velocity on wall friction coefficient， mean velocity profile， etc. It was found that when β increases from 0.1 to 0.3， the mean velocity increases with the velocity ratio， the decay of maximum velocity becomes slower gradually， the wall friction coefficient decrease more rapidly， and the interaction between inner layer and outer layer is decreased.

Key word： wall jet； turbulent model；velocity profile； Reynolds stress； velocity ratio

收稿日期：2017-05-21

基金项目：国家自然科学基金资助项目 （51478069） ，National Natural Science Foundation of China（51478069）；重庆市科委项目（CSTC2017JCYJB0210）

作者简介：钟永力（1989—），男，贵州遵义人，重庆大学博士研究生

？偉j 通讯联系人，E-mail： yanzhitao@cqu.edu.cn壁面射流的概念最早由Glauert提出，其定义为一种高速射入光滑壁面上、周围环境流体特性相同的半无限静止流体中的射流[1].广义壁面射流是一股射流切向或以一定的角度冲击在被静止流体或运动流体所包围的壁面上[2].壁面射流通常分为2个区域，壁面到最大速度点之间的区域称为内层，其特性与壁面边界层相似，以外的区域称为外层，其特性与自由剪切流相似.壁面射流在工程中有着广泛的应用，例如：飞机机翼的分离控制，燃气涡轮机的薄膜冷却等.近年来，壁面射流理论在风工程中也得到了应用，如Lin和Savory提出了采用带协同流的壁面射流来研究下击暴流岀流区域的流场特征[3].

下击暴流是一种在雷暴天气中由强下沉气流猛烈冲击地面形成并由地表传播的近地面短时破坏性强风，其出流段为壁面射流区域，这与大气边界层风场有较大差异[4].国内外对下击暴流的研究大部分基于冲击射流模型，Selvam和Holmes[5]以及Kim和Hangan[6]分别使用k-ε湍流模型和RSM研究了下击暴流的风剖面；邹鑫等[7]采用冲击射流模型，研究了不同径向位置处高层建筑风荷载的时域和频域特性；王超等[8]采用RNG k-ε对冲击射流及壁面射流的平均风剖面进行了参数分析；瞿伟廉等[9]基于冲击射流模型对下击暴流做了大量模擬研究.由于下击暴流中心面积较小，其对结构物破坏的概率也较小，而下击暴流风场的水平段具有更大的面积，对结构的危害更大.因此，正确评估下击暴流岀流区域——壁面射流区域流场特性是正确评估建筑物风荷载安全性的关键.同时，由于协同流代表的云层平动，故其大小对下击暴流风场有着重要的影响.对下击暴流风场的研究可以采用等效化的带协同流的壁面射流模型.本文采用CFD方法来研究带协同流壁面射流的流场特征，分析几种湍流模型的适用性，进而研究不同协同流与射流速度比对下击暴流风场的影响，为下击暴流出流区域的风场特性数值模拟提供一定的参考.