[发明专利]基于中尺度和小尺度耦合的区域风场模拟方法和系统

权利要求书

1.一种基于中尺度和小尺度耦合的区域风场模拟方法，其特征在于，包括：

采用中尺度数值模式模拟中尺度风场，得到符合真实大气环境的平均风剖面；

采用边界层尺度数值模式将符合真实大气环境的平均风剖面作为模拟边界层尺度风场的初始条件和边界条件，得到大气边界层尺度的湍流脉动；

采用结构尺度流固耦合数值模式将符合真实大气环境的平均风剖面和大气边界层尺度的湍流脉动作为模拟结构自身及周边尺度风场的初始条件和边界条件，得到建筑结构所处风环境、所受风荷载和响应风效应。

2.根据权利要求1所述的区域风场模拟方法，其特征在于，所述中尺度数值模式的表达式为：

其中，x、y和η分别为经向、纬向和跟随地形的静力压力方向，对应的风速为U、V和W；Ω为垂向速度通量形式；μ_d为中尺度数值模式在(x,y,η)处的列单位面积干燥空气质量；φ为位势；α为考虑湿度因素的比容；α_d为(x,y,η)处干燥空气时的比容，是空气密度的倒数；p为对应坐标(x,y,η)位置处的气压；u、v和w分别为经向、纬向和跟随地形的静压力方向上的协变速度；t为时间；m_x为中尺度数值模式采用的坐标系计算空间中经度方向水平网格点距离与真实地球表面上相应距离的比值；m_y为中尺度数值模式采用的坐标系计算空间中纬度方向水平网格点距离与真实地球表面上相应距离的比值；F_U为中尺度数值模式物理过程、湍流混合、球面投影和地球自转产生的强迫力项在经向的分量；F_V为中尺度数值模式物理过程、湍流混合、球面投影和地球自转产生的强迫力项在纬向的分量；F_W为中尺度数值模式物理过程、湍流混合、球面投影和地球自转产生的强迫力项在跟随地形的静压力方向的分量；g为(x,y,η)处的重力加速度。

3.根据权利要求2所述的区域风场模拟方法，其特征在于，所述边界层尺度数值模式的表达式为：

其中，x_i为柯西坐标，i＝1,2,3；u_i为柯西坐标x_i对应的风速；x_j为柯西坐标，j＝1,2,3；u_j为柯西坐标x_j对应的风速；t为时间；为密度归一化的气压的过滤运算；为总应力，即粘性应力与亚格子应力的加和；f_i^T为归一化的其它力。

4.根据权利要求3所述的区域风场模拟方法，其特征在于，所述结构尺度流固耦合数值模式的表达式为：

其中，x_i为柯西坐标，i＝1,2,3；u_i为柯西坐标x_i对应的风速；x_j为柯西坐标，j＝1,2,3；u_j为柯西坐标x_j对应的风速；t为时间；为密度归一化的气压的过滤运算；为总应力，即粘性应力与亚格子应力的加和；f_i^T为归一化的其它力；[M]，[C]和[K]分别是质量矩阵、阻尼矩阵和刚度矩阵；{F}为外荷载矩阵；和{s}分别表示加速度矩阵、速度矩阵和位移矩阵。

5.一种基于中尺度和小尺度耦合的区域风场模拟系统，其特征在于，包括：

第一模拟模块，用于采用中尺度数值模式模拟中尺度风场，得到符合真实大气环境的平均风剖面；

第二模拟模块，用于采用边界层尺度数值模式将符合真实大气环境的平均风剖面作为模拟边界层尺度风场的初始条件和边界条件，得到大气边界层尺度的湍流脉动；

第三模拟模块，用于采用结构尺度流固耦合数值模式将符合真实大气环境的平均风剖面和大气边界层尺度的湍流脉动作为模拟结构自身及周边尺度风场的初始条件和边界条件，得到建筑结构所处风环境、所受风荷载和响应风效应。