我們都知道，對于一般的土木工程建筑物，荷載規范方法的基本思路是，在一定地貌類型下，先計算出各高度的風壓，然后乘以建筑物的體型系數計算出平均風荷載，最后再乘以風振系數以考慮結構的動力性能。然而，現實中的建筑物，外形往往是非常復雜的，傳統的規范方法已經很難適用。此時，風洞試驗和數值模擬成為研究建筑物風荷載的有效手段。然而，風洞試驗耗資巨大，在建筑物設計的可行性研究階段，采用數值模擬方法進行建筑抗風的相關研究，往往是經濟可靠的途徑。隨著計算機數值模擬技術的快速發展和CFD理論的成熟，定性分析和評估建筑物的風荷載已非難事，但是定量分析尚有距離。然而，即便是定性分析，就足以提供一些非常有價值的結論，如超高層建筑物外形的氣動優化，建筑物的選址，行人高度風環境的評估等。目前而言，這些分析用到的基本方法大致可以分為兩類：基于時間平均的雷諾平均（Reynolds Averaged Navier-Stokes，RANS）方法，和基于空間平均的大渦模擬（Large Eddy Simulation，LES）方法。

    RANS方法主要是對瞬時的N-S方程進行了時間平均，并基于一定的假設建立相應的湍流模型使方程組封閉來進行求解。不難發現，由于RANS方法的本質在于求解平均方程，因此，不管RANS的封閉模式方程中是否含有瞬態項，RANS方法求解得到的始終是結構表面的平均風荷載信息，而無法得到結構表面的脈動風荷載信息。然而，由于RANS方法的計算量小，在工程領域中獲得結構的風荷載體型系數以及結構周圍平均流場信息方面得到了廣泛應用。LES方法則與RANS方法有著明顯的不同。LES方法主要思想是把湍流中大渦和小渦分開處理，對攜帶主要能量的大渦直接求解，而對起耗散作用的小渦建立適當的模型求解。可以看出，LES方法能夠更好地模擬流場的脈動信息，從而得到結構表面的脈動風荷載信息。在科研領域，隨著計算機技術的發展，LES方法逐漸得到了較廣泛的應用；然而在工程設計領域，LES方法的推廣依然受到計算資源的制約。

    本文要探討的脈動風速入口問題，就是LES方法在土木工程領域應用的一大難點。所謂脈動風速入口，是相對于RANS方法中常用的穩態來流邊界條件而言的。LES方法的來流入口，是滿足一定約束條件的非穩態時空變化序列。簡單說來，脈動風速入口，需要保證入口處每一點的風速都是隨時間變化的，且應能描述真實的流動過程。說起風速時程，大家都不陌生，滿足一定湍流強度、湍流積分尺度和脈動風速功率譜特性的風速生成方法網上的程序也比比皆是（想要程序？后臺回復）。然而，這些生成方法并不見得適用于LES入口。這是為什么呢？且聽Ton君娓娓道來。

    我們都知道，結構抗風設計中，風特性的準確描述，是風荷載和風致響應準確計算的前提。而在LES計算中，脈動風速入口的生成，就扮演著描述風特性的重要角色。大氣邊界層的風特性，包含平均風速特性和脈動風速特性。LES計算入口中，平均風速剖面可以直接給定，無需做過多考慮。然而包括湍流強度、湍流積分尺度、脈動風速功率譜、空間相關性等在內的脈動風速特性，是LES入口需要重點考慮的。

    不僅如此，即便是人工合成的入口滿足了諸多脈動風速特性，也不見得是一個很好的LES入口。究其原因在于，“人工”二字！人工的，就不一定是天然的，就一定和天然的有區別。換句話說，人工合成的脈動風速入口，不一定滿足CFD計算中的流體控制方程，這會直接導致入口給定的脈動風速特性，甚至是平均風速特性在流域中產生極大的變化，影響目標風剖面的生成。然而，反過來，即使入口給定的脈動風速滿足流體控制方程，這樣的脈動風速特性，是否就一定是我們結構抗風設計中想要的風特性？答案不得而知。這其實就是LES計算中脈動風速入口生成的難點所在。綜上，LES計算中脈動風速入口需要滿足的條件是：平均風速特性，脈動風速特性，和流體控制方程。這些條件其實是極為苛刻的，要想同時滿足幾乎無望。為此，工程設計人員簡單粗暴的想法又來了：咦，既然條件無法同時滿足，那么，就抓主要矛盾，忽略次要矛盾吧。平均風速特性和脈動風速特性這個總不能動吧？風洞試驗也得滿足這些特性，風荷載規范中也規定了一部分特性。那流體控制方程腫么辦？沒事兒，既然這么讓人頭大，就部分地滿足吧，就把流體的連續性方程（又稱無散度條件）滿足一下吧。哦，好的，幾篇SCI文章就這么出來了。

    有些學者急了，為什么不能效仿風洞試驗，在計算域中擺擺尖塔、粗糙元之類的玩意兒，把這些設備后方的風速提取出來，作為LES計算的入口脈動風速？哦，好的，但是如果想這么干，就請先準備好超級計算機吧。在此Ton君推薦一篇文獻Yan B W , Li Q S . Inflow turbulence generation methods with large eddy simulation for wind effects on tall buildings [J]. Computers & Fluids, 2015, 116:158-175.有興趣的小伙伴們可以閱讀一下，文中對LES計算中各類脈動風速入口的生成方法總結得很全面，這里放一張威武的截圖（悄悄告訴你，小編已經部分地實現了文中的一些方法，歡迎后臺交流）。

    此處Ton君介紹一種簡單實用的脈動風速入口生成方法——NSRFG方法。該方法的介紹摘自Yu Y, Yang Y, Xie Z. A new inflow turbulence generator for large eddy simulation evaluation of wind effects on a standard high-rise building [J]. Building and Environment, 2018, 138: 300-313.一文。細心的小伙伴發現，該文發表于2018年，可以說是最新的成果。但是該文提出的方法思路簡單，兼顧實用性和準確性，可以說是非常適合工程應用。

    文中提出的方法，思路來源于最簡單的諧波疊加法，如下圖2最后一式。大家可能對這一形式并不陌生，最簡單的諧波疊加式。然而定睛一看會發現，這個式子和一般的諧波疊加有所不同，區別在于式中的諧波函數中出現了一項同坐標有關的項（下劃紅線標出）。這一項大有學問，不僅解決了生成脈動風速的空間相關性問題，也實現了脈動風速入口的零散度。Ton君在這里拋磚引玉，感興趣的同學可以閱讀該文并后臺交流。作者在文中自信地給出了入口生成的脈動風速，如下圖3。隨后，作者將該方法用于某高層建筑的CFD模擬中，計算所得風荷載具有較好的精度。圖4給出了建筑周圍的流場圖。