Page 296 - 《振动工程学报》2026年第5期

第 39 卷第 5 期 振 动 工 程 学 报 Vol. 39 No. 5
2026 年 5 月 Journal of Vibration Engineering May 2026

基 于 NUFFT 增 效 随 机 波 谱 表 示 法 的

大 涡 模 拟 湍 流 入 口 生 成 方 法

赵恺雍， 徐梓栋， 王 浩， 林禹轩

（东南大学混凝土及预应力混凝土结构教育部重点实验室，江苏 南京 211189）

摘要：为开展工程结构风效应精细化模拟，提出了一种基于非均匀快速傅里叶变换增效随机波谱表示法（NUFFT enhanced
stochastic wave-based SRM，N-SWSRM）的大涡模拟湍流入口生成方法。通过 N-SWSRM 高效生成三向湍流随机场，同时考虑
湍流场连续性条件对随机场进行零散度修正，并通过数值算例对生成流场的统计特性和湍流特性进行对比分析。结果表明，
所提方法可满足大涡模拟的数值计算，流场结构特征符合边界层湍流的特点。平均风剖面、湍流强度、功率谱密度和相干函
数等风特性统计指标均与理论值吻合良好，验证了所提方法用于生成大涡模拟入口湍流的有效性。
关键词： 大涡模拟；湍流入口；随机波谱表示法；非均匀快速傅里叶变换；湍流特性
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中图分类号：TU312 .1 文献标志码：A DOI：10.16385/j.cnki.issn.1004-4523.202405025

An inflow turbulence generation method with large eddy simulation
based on NUFFT enhanced stochastic wave-based SRM

ZHAO Kaiyong，XU Zidong，WANG Hao，LIN Yuxuan
（Key Laboratory of Concrete and Prestressed Concrete Structures of Ministry of Education，Southeast University，Nanjing 211189，China）

Abstract：To conduct fine-scale simulation of wind effects on engineering structures，an inflow turbulence generation method with large eddy
simulation (LES) based on NUFFT enhanced stochastic wave-based spectral representation method (N-SWSRM) is proposed. Three-
dimensional stochastic wind fields are efficiently generated via N-SWSRM while considering the continuity condition of the turbulence to
correct the divergence of the stochastic fields. Statistical and turbulence characteristics of the generated turbulent fields are analyzed through the
numerical example. The results demonstrate that the proposed method can be used for LES，while the flow structures are consistent with the
characteristics of boundary layer turbulence. The statistical characteristics such as mean wind profiles，turbulent intensity，power spectral
density and spatial coherence function align well with theoretical values，which confirm the effectiveness of the proposed method.

Keywords：large eddy simulation；inflow turbulence；stochastic wave-based spectral representation method；NUFFT；turbulence characteristics

计算机技术的高速发展和流体模拟方法的持续 的入口湍流是采用 LES 开展结构风效应 CFD 模拟、
更 新， 大 幅 促 进 了 计 算 流 体 动 力 学 （ computational 进而保障结构抗风性能的重要前提。
fluid dynamics, CFD） 在 结 构 风 工 程 领 域 的 应 用 研 当前 LES 湍流入口生成方法主要包括：层-湍流
究。现有 CFD 方法可分为直接模拟（direct numerical 过渡技术、循环域技术、驱动域技术与合成湍流技
simulation, DNS）、大涡模拟（large eddy simulation, LES） 术等 [5-6] 。层-湍流过渡技术所需的计算成本过于昂
和 雷 诺 平均 Navier-Stokes 方 程 （ Reynolds-averaged 贵，通过循环域技术或驱动域技术可在一定程度上
Navier-Stokes, RANS）模拟三大类。其中，LES 可实现 节约计算资源，但在模拟过程中可能引入的循环周
对大气边界层大尺度涡旋的直接求解，且比 DNS 模 期使得湍流入口结果失真 [7-8] 。相比上述方法，合成
拟效率更高，已有效应用于工程结构表面风荷载的 湍流技术计算时间更短，占用的计算资源较少，且湍
模拟、风效应评估 [1-3] 。由于土木工程结构基本处于 流结构可控性强，因而备受青睐，学者们在该领域进
近地面大气边界层内，其边界层湍流是导致风致振 行了卓有成效的研究工作 [9-10] 。例如，KATAOKA 等 [11]
动的主要因素 。因此，生成满足大气边界层风特性 基于湍流的功率谱密度特征，利用随机流生成技术
[4]

收稿日期：2024-05-13；修订日期：2024-08-18
基金项目：国家自然科学基金资助项目（52338011，52208481）；中国博士后科学基金资助项目（2023M730581）；江苏省卓
越博士后计划项目（2023ZB674）；江苏省研究生科研创新计划项目（KYCX23_0272）；东南大学基本科研业务费
专项资金资助项目（2242024k30036）