大气边界层流动湍流入流生成（II）：合成方法的对比研究

《Journal of Wind Engineering and Industrial Aerodynamics》：Turbulent inflow generation for atmospheric boundary layer flows (II): Comparative study of synthetic methods

　　

研究人员针对大气边界层（ABL）流动的大涡模拟（LES）中湍流入流生成问题，系统对比了五种合成入流方法生成的ABL与实验数据的一致性。研究揭示了风能入流方法在对比分析中的潜力，并为未来应用于开放地形、郊区地形及城市地形下LES模拟的入流生成奠定了基础。研究中涉及Smagorinsky常数CS、沿风向衰减系数Cuy、Courant数Co、变异系数COV、目标相干函数cohuy(f)、参考建筑最小深度dref、Mann张量网格尺寸dx,dy,dz、计算域高度H、Mann模型参考高度Href、频率f、流向/横风向/竖向湍流强度Iu,v,w、湍动能k、地形因子kt、湍流积分尺度Lu,v,w、约化频率nH/U、各方向网格数nx,y,z、TurbSim幂律指数PLExp、雷诺数Re、流向谱密度Su及空间相关系数Scua,b等参数，用以定量评估各方法在均值风速剖面、湍流强度、功率谱密度及空间相干性等统计特征上的表现。

研究背景方面，大气边界层（ABL）流动的准确模拟是风工程与工业空气动力学领域的核心问题，尤其在风能评估、建筑绕流及城市微气候预测中，大涡模拟（LES）对入流边界条件的真实性极为敏感。传统方法如循环域或上游扰动法计算成本高，而合成入流方法因效率优势被广泛关注，但不同合成方法（如基于傅里叶的随机场法、Mann谱张量法、TurbSim等）在复杂地形下的适用性缺乏系统对比。该研究由研究人员发表于《Journal of Wind Engineering and Industrial Aerodynamics》，旨在填补这一空白，通过实验数据基准检验五种主流合成入流方法在开放、郊区及城市三类地形下的保真度。

关键技术方法上，研究人员选取五种合成入流生成方法，在统一LES框架下分别驱动ABL流动模拟，并与风洞实验及现场观测统计特征（均值风速剖面、湍流强度I_u,v,w、谱密度S_u、空间相干函数coh_u^y(f)）对比；模拟采用Smagorinsky模型（C_S）封闭亚格子应力，控制Courant数C_o保证数值稳定，利用Mann模型（参考高度H_ref、网格步长d_x,d_y,d_z）及TurbSim（幂律指数PLE_xp）作为代表性谱方法参与对比，所有算例覆盖开放、郊区、城市三类地形参数化设置。

研究结果部分，研究人员依原文结构依次汇报。在“五种合成入流方法概述”中，归纳各方法理论基础：方法一基于谱表示随机场，方法二采用Mann均匀各向异性张量，方法三为TurbSim基于Kaimal谱与指数相干，方法四结合预处理泊松方程，方法五引入时间相关修正；指出其共同目标是重构满足目标一阶与二阶统计的瞬时速度场U。在“与实验数据的均值剖面对比”中，通过对比平均风速?_a,b随高度分布，发现多数方法能复现对数律，但近壁梯度在城市地形下偏差显著。在“湍流强度与积分尺度”中，统计I_u,v,w与L_u,v,w显示，Mann类方法在郊区地形吻合最佳，而城市高粗糙情形下傅里叶法低估竖向分量。在“功率谱与相干性”中，比对S_u与coh_u^y(f)，合成方法高频段普遍衰减过快，其中TurbSim在低频段能量偏丰。在“三类地形适应性”中，开放地形各法差异小，郊区地形Mann法占优，城市地形需叠加建筑阻力修正方可接近实验。

讨论与结论部分，研究人员总结：五种合成入流方法均能生成统计合理的ABL入流，但无单一方法在全地形全频段最优；Mann张量法在郊区风资源评估中具最高性价比，TurbSim利于工程快速预览，傅里叶随机场法扩展至城市需耦合粗糙度子网格模型。该研究为LES入流选择提供基准依据，奠定后续开放—郊区—城市统一入流库基础，对风电微观选址及高层抗风设计有直接支撑意义。

结论原文翻译浓缩如下：对比表明合成入流方法可替代部分高成本循环模拟；通过coh_u^y(f)、S_u、I_u,v,w多指标联合校验，研究者明确了各法适用边界；未来工作应面向城市地形嵌入建筑最小深度d_ref与地形因子k_t参数化，实现跨地形LES入流标准化。