利用谐波合成法或数字滤波法等方法生成湍流大气边界层数值模拟的入口条件时,通常需要由粗网格插值得到实际模拟入口面的网格节点,否则计算量和存储量极大。假定入口面网格节点数为,需要模拟的时程数为,每个数据占8个字节,则入口面所有节点所需的三个方向的脉动风速内存量为,这个存储量是极大的;并且,直接生成所有节点的脉动风速时程耗时极长,不易实现。因此,需要生成粗网格的脉动风速时程数据,再插值得到实际入口面的脉动风速时程。
然而,单纯的线性插值会导致脉动风速的衰减,下面以一维线性插值为例,如图3.11,A和B为粗网格节点,P为实际入口面节点,已知A和B点的脉动风速和,需插值得到P点的脉动风速。现假定A、B两点的脉动风速时程满足以下条件:
1)均值为零;
2)脉动风速标准差为;
3)满足维纳-辛钦互相关性:;
则P点的脉动风速时程为
故。由此可见超短期风速分布,P点的脉动风速标准差不再为且小于,其值取决于A和B两点的相关性以及P点的位置。为保证,引进修正因子,对插值后的脉动风速进行修正,即,从而保证插值后的脉动风速标准差仍为。以上公式容易推导到二维双线性插值,如图3.12,A、B、C、D为粗网格节点超短期风速分布,P为实际入口面节点,则P点脉动风速时程为:
式中,。
因此,基于时程互相关性修正可以保证入口节面的脉动风速标准差的一致性,但其前提是生成的脉动风速时程必须十分吻合时程互相关性。根据上节模拟结果可知,谐波合成法生成的脉动风速时程非常满足时程互相关性,以谐波合成法生成的标准A类地貌风场为例,插值得到y=25 m切面的不同高度网格节点的脉动风速时程。图3.13是双线性插值后的脉动风速标准差剖面修正前后对比图,可以看出二维双线性插值导致脉动风速标准值减小了15%-30%,经过互相关修正后的与原始数据一致。图3.14是100 m高度顺风向脉动风速功率谱对比图,插值后的脉动风速功率谱与von Karman谱较吻合。图3.15是100 m高度顺风向脉动风速自相关函数对比图,经过互相关性修正后的顺风向脉动风速自相关函数在零点与目标值完全一致了,且整体与目标值较吻合。
横风向和竖向脉动风速修正方法和顺风向类似,此处不再赘述。
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