山脉地形下击暴流风场数值模拟

山区是下击暴流多发区域,为了研究下击暴流作用下连续山脉地形的风场特性,采用大涡模拟(LES)分析了山脉高度、间距等地貌因素对特征位置风场的影响.结果表明:山脉高度大于50 m时,山脚及山顶位置径向极值风速的大小随山脉高度增加而逐渐减小;山顶的加速效应主要受山高影响,其加速因子在近地面较大,而山脚的加速效应在上部空间较大;双山脉时,后山脉对前山脉湍流度的变化影响不明显,后山脉的湍流度呈现出随山脉间距扩大而先增大后减小、随前山脉高度增加而逐渐增大的变化规律.     

π形山脉主山脊线风速加速效应研究

为研究真实地形的加速效应，提取真实地形的几何特征建立理想简化地形，提出一种π形山脉模型.采用CFD数值模拟研究顺子山脉风向下子山脉间距、长度及坡度对主山脊线加速效应的影响，结合地形特征比较π形山脉与三维余弦山脉的主山脊线加速比差异，在后者基础上获得π形山脉主山脊线特征点的风速加速比简化计算公式，并通过一处真实π形山脉加以验证.结果表明：π形山脉主山脊线中点的加速比受子山脉间距、长度影响较大，而山脊线交点的加速比受子山脉长度、坡度影响较大；与三维余弦山脉相比，π形山脉主山脊线加速比在山脊线端部相同，但整体偏小，尤其受子山脉遮挡的部分显著偏小，超过离地70 m高度后差异基本消失；通过与真实π形山脉的风场比较，发现简化地形和简化计算公式能较好反映真实地形主山脊线特征点的加速效应.     

单山和双山风场特征的CFD数值模拟

采用CFD模拟方法研究单山和双山情况下三维山丘风场,研究计算模型表面粗糙度对风场的影响,计算不同坡度山体情况下单山的风场,进行两个山体左右排列情况的风场计算,分析坡度、风向角、间距对双山风场的影响.研究表明:山体的计算模型表面粗糙度增大时,山顶上方半山高度的加速效应减弱,山后尾流区的高度增加;山体横风切面的加速效应大于顺风切面,横风切面内半山以上的位置均为风速最大值区域;左右双山紧贴排列情况下,风斜吹时前山山顶的加速比大于后山山顶,风直吹的数据在两者中间.     

基于山地环境的尾流分布特征的风洞试验

针对复杂山地环境开展缩尺模型风洞试验,研究气流越过山体后背风面尾流的分布特征.分析不同坡度下山体背风面平均风剖面以及脉动风速功率谱随测点位置的变化规律,研究山体的山顶加速效应和遮挡效应影响以及背风面涡旋发展情况.当背风面坡度为25°时,山顶出现加速效应,山体遮挡效应不明显,尾流中涡旋不充分;当背风面坡度为50°时,山体遮挡效应明显,尾流中涡旋发展充分.山体高度为H,其背风面至少1.7H(高度)×6H(长度)范围内存在涡旋并影响风场频域分布,且离山脚6H范围外遮挡效应仍未消失.比较了中美规范中关于山顶加速比的计算差异,结果表明规范计算值较风洞试验值偏大.     

不同坡度单体山丘风速地形修正系数与 越山风效应风洞试验研究

为了研究不同坡度单体山丘风速地形修正系数与越山风效应对输电塔线结构的影响,对比了国内外5种规范取值与风洞试验测试结果,分析了不同坡度山丘山顶位置和迎、背、侧风坡面风速地形修正系数,并探讨了山丘风场竖向风速分量与紊流度变化特性.研究结果表明:5种规范中我国建筑结构荷载规范与高耸结构设计规范对不同坡度山丘山顶处的风速地形修正系数的取值最大;山顶位置风速地形修正系数并非完全随坡度增大而增加,坡度大于0.577之后达到1时,风速地形修正系数反而减小;现有的拟合公式计算山丘表面区域的侧风坡风速修正系数取值偏小,而计算上部区域的风速修正系数取值却明显偏大;山体坡度越大则竖向风速分量极大值反而越小,三类坡度山丘在迎风坡和背风坡测试的最大竖向风速分量与参考来流风速的比值分别为0.523和-0.542;山体坡度越大则表面紊流度越大,特别是陡峭山坡背风侧紊流度比较大,坡度为1时山丘背风侧0.6倍山体高度处的紊流度可高达35%.     

山地风加速效应的计算模型

以往对山地风加速效应的研究及发达国家最新规范中关于山地风加速效应的计算模型往往采用指数律模型,并且只考虑了较缓的山坡,各模型中系数取值差异较大.针对这一问题,文中基于计算流体力学软件Fluent 6.2平台,利用数值模拟方法对不同坡度、高度和地貌情况下的山地风加速效应进行计算,分析了山体坡度、山体高度及地貌对山地风加速效应的影响,根据数值模拟结果提出了山地平均风加速效应的对数律计算模型,拟合了模型中各参数的取值,把适用范围扩大到了较陡的山坡,并将文中模型计算结果与现有模型及规范计算结果进行比较,结果表明,对数律计算模型比指数律计算模型能更精确地描述山地近地风的加速效应.     

拉剪作用下煤岩不等长平行偏置裂纹相互作用

为研究天然煤岩体中多裂纹的相互作用规律,采用经典Kachanov法,通过分析应力强度因子比的变化,研究了拉剪作用下不等长平行偏置双裂纹间水平距离、垂直距离以及裂纹长度对彼此相互作用的影响规律.并借助RFPA2D软件对不同间距条件下的裂纹起裂扩展进行数值模拟验证,其结果与理论计算吻合良好.结果表明:裂纹间的相互影响包括强化作用、屏蔽作用和零效应3种形式,且三者随水平距离、垂直距离和裂纹长度的不同而相互转化;距离裂纹尖端越近,强化作用越强烈,且强化作用变化速率也越快,距离裂纹中心越近,屏蔽作用越强烈,且屏蔽作用变化速率也越快,裂纹长度越长,其影响范围也越大.     

基于岩体时间效应的深部变间距骑跨采巷道稳定性模拟

针对深部变间距骑跨采中工作面与底板巷道的不同空间位置关系,采用FLAC3D软件对考虑岩体时间效应时巷道垂向压力的影响范围、位移变化形态及塑性破坏程度进行了分析。研究结果表明,层间距对巷道顶底板及两帮相对移近量影响明显,且层间距对巷道两帮相对移近量的影响更大,同时层间距越大受动压的影响越弱,围岩收敛变形越小、底鼓量越小;围岩位移变化受岩体时间效应的影响程度随着煤层间距的增加而弱化;不同煤间距条件下,不同时间区间,其岩体的时间效应影响程度也存在差异。     

峡谷桥隧连接段横风风环境数值模拟

为研究山区路段横风对桥隧连接段上风场特性的影响,建立桥隧连接段三维模型,利用国际大型流体力学计算软件FLUENT,使用有限体积法进行空间离散,采用k-w湍流模型对桥梁上空不同位置处峡谷横风形成的风特性进行数值模拟计算。计算结果表明：在相同风速条件下,峡谷间距越小,对气流的加速作用越明显,而在桥梁上空呈现的加速区间却减小;当峡谷间距分别为20、30、50m时,桥梁上空的风速分别增加了30.8%、29.3%、27.2%,加速范围分别是16、20、38m。同时,表现出桥隧连接段离隧道一定范围内风速较小,但湍流强度较大;在桥梁中央一定范围内风速较大,但湍流强度较小。数值模拟结果为交通安全性和舒适性研究提供了可靠依据。     

坡度对三维山丘风场特性及绕流机理分析

为研究坡度对山丘地形风场特性的影响,采用基于空间平均的大涡模拟方法进行了非定常绕流数值模拟研究。首先,通过与试验结果的对比,验证了模拟方法及参数的有效性;然后,研究了15°、21.8°、30°和45°四种坡度对山丘的近地绕流平均和脉动风速场的影响,着重从时均和瞬态流场角度进行了影响机理分析;最后,分析了坡度对地形加速效应的影响,并与不同国家规范结果进行了对比。结果表明：大涡模拟方法可以较有效地模拟不同坡度山丘的平均和脉动风速特性;不同坡度山丘迎风面处的平均和脉动风速场的变化规律基本一致,差异主要在山顶和背风面处。在山顶位置,随着坡度的增加,脉动风逐渐增大,以坡度30°为界,山顶处的流向平均风速呈现先减小后增大的趋势,背风面流动分离点逐渐向下游移动,引起涡旋中心位置逐渐向下游移动且远离山丘壁面。在背风面山腰近壁区,以坡度30°为界,当坡度较低时,随着坡度增大旋涡尺度不断增大,旋涡尾迹变宽,能量逐渐集中,流向平均风速逐渐减小,脉动风速逐渐增大;坡度大于该值时变化趋势则相反。不同坡度的地形加速效应趋势基本类似,主要差异在近壁区,结合各国规范本文给出了不同坡度地形加速效应的最大值曲线。     

山区风电临坡圆形基础倾覆失稳对坡体变形的影响

山区风电塔架均修建于山区丘陵坡顶。若风电基础倾覆失稳,将对边坡稳定性造成影响。通过数值模拟方法,研究了临坡圆形基础倾覆失稳引起的边坡土体变形,讨论了基础直径、边坡角对坡体变形的影响。结果表明：坡面隆起随基础直径增大使坡面隆起量增大,随临坡距增大而减小,临坡距e/D=3（e为基础边缘距离边坡距离,D为基础直径）较e/D=5时最大隆起值增大了143%。此外,边坡角增大不仅使坡面隆起增加,而且边坡土体变形范围增大。讨论了基础转动点与基础临坡距离之间的关系,发现圆形基础的转动点位置随临坡距增加呈先上升后下降的趋势。     

包兰铁路沙坡头段防护体系近地面流场特征

基于地形和流场实测，研究了包兰铁路沙坡头段铁路防护体系近地面流场沿NNW-SSE方向的变化．结果表明，由于地形变化以及人工植被和草方格的存在，防护带内等风速线沿风向呈逐渐变疏和抬高的趋势，各高度的风速总体上呈递减趋势，风速放大率为负；沙丘迎风坡风速放大率为正，流动沙丘迎风坡风速放大率高于固定沙丘迎风坡．沙丘背风坡2．5m高度内风速放大率总体为负．防护带内的固定沙丘背风坡气流通体减速，各高度的风速放大率全部为负，平均为一1．48％／m．防护带内地表空气动力学特征发生变化，其中沙丘迎风坡地表风速廓线接近于对数率；人工植被带地表空气动力学粗糙度显著高于流沙区．     

轻型折叠落地四坡野营房屋表面风压分布分析

为了研究轻型折叠落地四坡野营房屋在风作用下表面风压分布特性,基于计算流体动力学和大气边界层基本理论,运用计算流体力学软件Fluent,参考现场实测和风洞试验结果,对落地四坡野营房屋进行数值模拟基础性研究,确定网格划分方式、网格数量及湍流模型等技术及基本参数。在此基础上:以风向角和落地坡角为参数,进行了24种工况下落地四坡房屋表面风压分布的数值计算,得到房屋表面风压分布特性及风荷载体型系数;用影响建筑气动外形的表面各区体型系数为参数,以对建筑表面作用最小为目标进行体型优化,得到合理体形的建筑落地坡角为60°~72°(屋脊角为132°~140°)。研究结果可为落地四坡房屋的抗风设计及体型优化提供理论依据。     

高速公路路堑风雪流灾害预测模型与应用

山区高速公路在风雪天气极易出现风雪流灾害,造成雪阻路断,影响正常通行。复杂的地形和路基断面往往是引导风雪流流向和雪粒沉积的关键因素,尤其路堑形式下,路面积雪更为严重。本文针对全路堑、迎风半路堑和背风半路堑三种路堑形式,对风雪流流场进行了数值模拟,分析流场的分布规律和雪害致灾机理。选定路面积雪范围为目标函数, 以山体相对高度、路基与山体横向距离、路堑深度、路堑坡度及风速为主要影响因素,对大量案例进行了正交试验和回归分析,获得了路堑积雪的预测模型。该模型经过了显著性检验,可反应各因素对路面积雪影响程度的大小, 并能体现各因素对路面积雪的耦合作用。最后,结合具体工程实例,对所建立的模型进行了应用与验证分析,发现预测模型与数值模拟结果误差不超过5%,验证了模型的有效性和实用性。     

基于数字高程模型(DEM)的可可西里地貌及区划研究

基于数字高程模型(DEM)数据,应用地理信息系统(GIS)方法,对可可西里地区地貌要素进行定量分析,并对其地貌区划进行研究。可可西里地区海拔分为中海拔、高海拔和极高海拔三级,其中高海拔地区占据69.38%的区域。研究区夷平面广泛发育,根据地势起伏度可划分为丘陵、平原和台地3种类型。除东部三江源地区外,研究区主体未受到青藏高原强烈隆升造成的河流溯源侵蚀影响,坡度类型以小于15的微斜坡、缓斜坡和斜坡为主,地势平坦。依据地貌形态特征定量分析、地貌类型组合和地貌成因的差异性原则,可可西里地区可划分为4个地貌区:羌塘高原地貌区(Ⅰ)、东昆仑山山地地貌区(Ⅱ)、三江源丘状山原地貌区(Ⅲ)和柴达木高原盆地区(Ⅳ)。其中,羌塘高原地貌区又可划分为可可西里高原地貌亚区(Ⅰ_1)和唐古拉山高山地貌亚区(Ⅰ_2),东昆仑山地地貌区可划分东昆仑南部极高山地貌亚区(Ⅱ_1)和东昆仑北部高山地貌亚区(Ⅱ_2)。地貌要素研究可以直观、量化地反映可可西里地区海拔、地势起伏度及坡度特征,地貌区划研究可以反映可可西里地区高原、山地、山原、盆地的地貌格局和水平分异,对研究地貌特征、地貌类型及开发保护具有重要意义。     

公路桥梁声屏障脉动风压的分析与研究

大型客车在安装有声屏障或防护屏的桥梁区段内行驶时,气流对声屏障或者防护屏产生较大的脉动风压力.论文基于大客车在声屏障区段内行驶的三维不可压缩湍流CFD数值分析模型,采用动网格技术分析了大客车行驶时作用于声屏障表面的有效脉动风压分布,并对比了车速、距离对声屏障脉动风压数值的影响,给出了大客车有效脉动风压的公式,其分析结果可供桥梁桥面附属设施构件设计中参考,弥补了我国现有公路桥梁设计规范中未给出汽车脉动风压的不足.     

复杂山区水库蓄水影响下的库区桥址风特性数值模拟研究

以某复杂深切峡谷大跨度悬索桥为工程背景,构建桥址区水库蓄水后的地形数值模型,对桥址区进行区域地形风场数值模拟研究.通过36个不同来流工况的对比分析,探讨水库蓄水后的主梁平均风速、风攻角、风剖面以及风速放大系数在不同来流风向下的变化规律.研究表明,山区库区桥址风场特性分布比较复杂:主梁横桥向平均风速随来流风向变化较大,主梁出现较大负攻角效应;典型工况下横桥向风速沿主梁由北岸向南岸递减;多数工况下,桥址区风剖面分布复杂,远不同于常规指数律;桥位出现较明显的峡谷风效应,风速放大系数最高达1.06.研究结果为水库库区大跨度桥梁的抗风设计提供一定的依据.     

架空建筑街谷内流动与污染物扩散的数值模拟研究

研究架空建筑设计对街道峡谷内气流流动和污染物扩散规律的影响。考虑了4种不同街谷高宽比(H/W)和3种架空建筑类型,利用经风洞实验验证的CFD数值模型对上述街谷内流动与污染物扩散规律进行模拟研究。结果表明,在无架空街谷中,H/W的增大不利于街谷内污染物扩散。与无架空街谷相比,架空结构显著改善了街谷内的空气质量。两侧建筑架空结构比单侧建筑架空结构更有利于街谷内污染物扩散,上游建筑架空结构对街谷内污染物的稀释作用优于下游建筑架空结构。当两侧建筑架空时,街谷内污染物可降低90%以上。架空结构显著增强了街谷近地面的气流流速,改善了街谷内的空气质量。     

3D Visual Plant Models in Computational Fluid Dynamics Simulation of Ambient Wind Flow around an Isolated Tree

Plants can reduce the velocity of wind and wind erosion and prevent the movement of sand.But it may be extremely difficult to measure directly the aerodynamic characteristics of the airflow near the real vegetation in field experiments on account of restriction by many objective factors.Therefore,numerous investigations have been carried out to study the efficiency of windbreaks by conducting wind tunnel experiments on simulated models or using computational fluid dynamics(CFD) simulation instead of field measurements.Plant models are simplified at some level to be used for numerical simulation in existing literatures.It is a little distortion of leaves in details if the tree canopy is regarded as a whole region which can have a certain influence on the CFD simulation.Hence,one modeling approach that combines Visual Basic for applications(VBA) and computer aided design(CAD) technology is proposed to design 3D virtual plant models.The tree models used for numerical simulation of wind flow around trees are more lifelike.In addition,this method can be applied for creating a 3D virtual vegetation library.It is also more convenient to get the diversified biological indicators by digital plants in computer.