(19)中华 人民共和国 国家知识产权局 (12)发明 专利申请 (10)申请公布号 (43)申请公布日 (21)申请 号 202111400601.8 (22)申请日 2021.11.24 (71)申请人 南京航空航天大 学 地址 210016 江苏省南京市秦淮区御道街 29号 (72)发明人 任贺贺　赖马树金 　陈文礼　李惠　 (74)专利代理 机构 南京钟山专利代理有限公司 32252 代理人 王磊 (51)Int.Cl. G06F 30/20(2020.01) G06F 113/06(2020.01) G06F 113/08(2020.01) G06F 119/14(2020.01) (54)发明名称 基于中尺度和小尺度耦合的区域风场模拟 方法和系统 (57)摘要 本发明提供一种基于中尺度和小尺度耦合 的区域风场模拟方法和系统， 其中方法包括采用 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。 本发明采用上述方案， 在多尺度风场模拟中 实现不同尺度风场连续模拟， 提高了模拟不同尺 度风场的效率和准确度。 权利要求书3页 说明书8页 附图3页 CN 114065541 A 2022.02.18 CN 114065541 A 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； μd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； αd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； mx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； my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； FU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； FV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； FW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， xi为柯西坐标， i＝1,2,3； ui为柯西坐标xi对应的风速； xj为柯西坐标， j＝1,2,3； uj为柯西坐标xj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； fiT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：权　利　要　求　书 1/3 页 2 CN 114065541 A 2其中， xi为柯西坐标， i＝1,2,3； ui为柯西坐标xi对应的风速； xj为柯西坐标， j＝1,2,3； uj为柯西坐标xj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； fiT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。 6.根据权利要求5所述的区域 风场模拟系统， 其特 征在于， 所述第一模拟模块包括； 第一构建单 元， 用于构建中尺度数值模式的表达式： 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； μd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； αd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； mx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； my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； FU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； FV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； FW为中尺度数值模式物权　利　要　求　书 2/3 页 3 CN 114065541 A 3