风环境数值模拟中模拟植被的数学模型与应用

摘要

在建筑风环境数值模拟中，植被的影响经常不可忽略，但模拟流经植被区表面的湍流流动非常复杂。此类问题通常涉及大尺度的模拟，同时需要模拟重点关注的近地表面的流动特性。在进行大尺度的模拟时，可以通过修正的壁面率以适当的粗糙度参数来考虑植被的影响。然后，这种方法往往和近地表的网格离散有矛盾；更主要的，不能捕捉植被区的湍流结构。在本文中，作者采用在动量和湍流输运方程中附加源/汇项的方法，结合粗糙壁面率修正，以模拟植被绕流。基于SST κ-ω模型，首先从理论上推导出湍动能耗散频率ω方程的附加源项表达式，然后采用数值模拟的方法进行了验证。结合作者提出的模拟平衡边界层的数学模型[1-3]，通过和试验结果[4]的比较，表明本文提出的模型和方法可以较准确的模拟植被绕流。在此基础上，将本文导出的附加源/汇项模型应用到一高层建筑群风环境的方案优化设计中，以改善建筑群不利风环境品质。