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基于山体风场预测的气象中尺度与工程小尺度大涡模拟对比研究

大涡模拟;,WRF,OpenFOAM,山体风场

台风极端气象作用下的工程结构灾害评估，仍面临如何获得工程适用的真实台风风环境的数值模拟难题。基于气象预报数值模型的台风模拟能较完整且高精地再现台风的复杂时空变化风场。但气象模型的尺度与计算精度，与工程结构所要求的米量级要求相差甚远。近年来，国内外逐渐采取降尺度（downscaling）耦合模拟思路，将气象中尺度模型与工程小尺度模型相结合，旨在再现工程适用的多尺度真实台风环境。但如何将两者结合，仍是困扰降尺度耦合方法推广至实际应用的难题。

本文选取三维山体绕流为研究对象，分别运用气象中尺度模型（WRF）和工程计算流体动力学（OpenFOAM）的大涡模拟（LES）技术，构建了几乎相同的计算模型（如边界条件、计算区域与计算网格），探究两者在预测分离流、尾流相干结构与湍流场的性能表现区别。结果表明，（1）与气象模型常采用的迎风差分格式相比，中心差分格式的WRF-LES能显著提升高频成分的再现范围，并促进分离流的失稳与漩涡形成；（2）WRF-LES在再现高频成分方面并不差于OpenFOAM-LES，但低频成分的时空脉动能量显著低于OpenFOAM-LES，这与WRF-LES无法再现高频成分的既往认知大相径庭。上述研究结果期望为气象中尺度与工程小尺度模型的降尺度耦合模拟方法提供新的思路。