[论文解读] Large Eddy Simulation of urban boundary layer flows using a canopy stress method

Jahrul Alam, Luke P. J. Fitzpatrick|arXiv (Cornell University)|Nov 4, 2017

Wind and Air Flow Studies参考文献 28被引用 3

一句话总结

该论文提出了一种大涡模拟（LES）方法，用于城市边界层流，结合涡粘性模型与树冠应力方法，无需解析建筑物几何结构即可准确表示城市粗糙度元所带来的动量损失和压差阻力。该方法通过整合应变率张量与旋转率张量，动态调节能量耗散，其在预测平均速度与湍流速度剖面方面与结构体贴合的CFD模拟结果高度一致，同时能够捕捉相干结构的大尺度间歇性特征。

ABSTRACT

Large-eddy simulation (LES) of a turbulent flow through an array of building-like obstacles is an idealized model to study transport of contaminants in the urban atmospheric boundary layer (UABL). A reasonably accurate LES prediction of turbulence in such an UABL must resolve a significant proportion of the small but energetic eddies in the roughness sublayer, which remains prohibitive even though computational power has been increased significantly. In this article, we present a large-eddy simulation methodology to study turbulence in UABLs, where the turbulence closure is based on coupling the eddy viscosity method with the canopy stress method. Unlike the classical Smagorinsky model that considers only the strain portion of the velocity gradient tensor, we consider both the strain tensor and the rotation tensor to compute the eddy viscosity. This allows us to dynamically adapt the rate of energy dissipation to the scales of the energetic eddies in the roughness sublayer. Without employing a mesh conforming to the urban roughness elements, the effect of such solid bodies are represented in the LES model through a canopy stress method in which the loss of pressure and the sink of momentum due to the interaction between eddies and roughness elements are parameterized using the instantaneous velocity field. Simulation results of the proposed canopy stress method is compared with that of a conventional Computational Fluid Dynamics (CFD) method employing a block-structured mesh conforming around the roughness elements. For urban flow simulations, the results demonstrate that the proposed canopy stress model is accurate in predicting vertical profiles of mean and variance, as well as the temporal intermittency of coherent structures.

研究动机与目标

• 开发一种计算高效的LES方法，用于模拟城市大气边界层（UABL）中的湍流流动，而无需解析单个建筑物的几何结构。
• 解决传统LES结合自适应网格加密在粗糙度亚层中解析小尺度涡旋时计算成本过高的挑战。
• 通过同时引入应变率张量与旋转率张量对涡粘性系数的贡献，提升湍流预测精度，实现对粗糙度亚层中能量涡旋的动态适应。
• 通过采用在粗糙度元素上施加无滑移边界条件的常规结构体贴合CFD方法，对树冠应力方法进行验证。
• 评估该方法在捕捉城市流场中相干结构与大尺度间歇性方面的能力。

提出的方法

• 采用大涡模拟（LES）方法，结合速度梯度张量的应变率张量与旋转率张量，动态调整小尺度能量耗散，以更准确捕捉小尺度能量耗散。
• 应用树冠应力方法，参数化由类似建筑物的障碍物引起的动量汇与压差损失，通过瞬时速度场表示其影响，而无需解析其表面几何。
• 采用类似壁面自适应局部涡粘性（WALE）方法的壁模型方法，在近地表层动态调节湍流应力。
• 避免使用体贴合网格，通过在动量方程中添加参数化的应力项，对粗糙度亚层与树冠层效应进行建模。
• 在雷诺数为𝒪(2×10⁷)的条件下进行模拟，确保与真实城市流场的相关性。
• 将模拟结果与采用结构化体贴合网格的高保真CFD模拟结果进行对比，以解析单个粗糙度元素。

实验结果

研究问题

• RQ1 在不解析单个建筑物几何结构的前提下，LES中的树冠应力方法能否准确预测城市边界层中的平均速度与湍流速度剖面？
• RQ2 与经典Smagorinsky模型相比，将应变率张量与旋转率张量同时引入涡粘性模型，如何提升粗糙度亚层中小尺度湍流涡旋的模拟效果？
• RQ3 树冠应力方法在多大程度上能够捕捉真实城市大气流中观测到的大尺度间歇性与相干结构？
• RQ4 与在粗糙度元素上采用无滑移边界条件的常规CFD方法相比，树冠应力方法在定量上表现如何？
• RQ5 当与自适应网格加密结合时，树冠应力方法是否仍保持鲁棒性与准确性，避免先前研究中报道的网格界面误差？

主要发现

• 树冠应力方法生成的平均速度与湍流速度垂直剖面与采用体贴合网格的高保真CFD模拟结果高度一致。
• 该方法成功捕捉了相干结构的时间间歇性，表明大量未解析的高能涡旋仍能通过动态方式被有效解析。
• 在涡粘性模型中同时引入应变率张量与旋转率张量，可实现对粗糙度亚层中高能涡旋尺度的动态能量耗散调节，从而提升湍流建模精度。
• 树冠应力方法在避免解析单个建筑物的同时保持了高精度，适用于大规模城市流场模拟。
• 模拟结果表现出与大气湍流中坍塌与喷发事件一致的大尺度间歇性，即使在中性层结与城市化区域中亦可观察到。
• 该方法在高雷诺数（𝑹𝒆 ≈ 2×10⁷）下仍保持高精度，证明其适用于真实世界城市大气边界层条件。