空气动力学粗糙度与植被特征关系的研究进展

由Bagnold提出的空气动力学粗糙度概念,是描述各种表面空气动力学特征的重要参数,已被广泛应用于沙面、植被覆盖表面、雪面、水面等.植被高度、密度、覆盖度、侧影盖度等特征,通过影响下垫面空气动力学粗糙度来达到抑制风蚀的效果.本文系统地总结了近年来空气动力学粗糙度与植被特征关系的研究成果,分析了各种植被特征因素与空气动力学粗糙度的关系,并对影响空气动力学粗糙度的植被因素的研究方向进行了预测.     

不同人为干扰地表条件下湍流通量特征的研究

利用1993至1994年日本国家农业环境研究所与中国科学院沙漠研究所合作在内蒙古奈曼地区实测的8种下垫面（沙丘、草地、4种放牧强度的草原、玉米田、大豆田）的净辐射、土壤热通量、2个高度的温度、相对湿度和风速等微气象资料，分别采用Bowen比法和空气动力学方法计算了不同下垫面的感热通量和潜热通量，并将两种方法的计算结果作了比较.结果表明：采用空气动力学方法计算的感热通量与Bowen比法的计算结果相比有偏大趋势，且随稳定度参数Richardson数Ri的减小，两者的差增大.在植被较多的下垫面，两种方法计算的感热通量相关性较好.对于潜热通量，植被覆盖率越大的下垫面，空气动力学方法的计算结果偏小越多.     

植被条件对近地表风速垂线分布的影响

本文对有无植被时近地表风速垂线分布进行了对比,定量地研究了植被条件对近地表风速垂线分布的影响,确定了不同植被条件与风速减小率之间的关系.通过研究发现:不同高度上的风速减小率随着植被模型行距或株距的增加均呈减小的趋势,高度为10cm和5cm的植被模型,其4cm高度的风速减小率均随行距和株距的变化均服从相似的指数函数形式,通过对比拟合曲线方程系数可知,株距的变化对风速的改变影响更大.不同高度上的风速减小率随植被侧影盖度均呈指数递增的趋势,通过两种高度的植被模型之间的对比可知,植株高度较高,密度较小植被的防风蚀效果可由植株高度较矮、种植密度大的植被达到.     

夏季风影响过渡区的动力学粗糙度的特征分析

利用北方协同观测试验中夏季风影响过渡区榆中站、定西站和兴隆山站观测资料,分别代表草地、农田、混合型下垫面,采用通量廓线方法计算了各下垫面的粗糙度,分析了下垫面动力学粗糙度随风向、风速、摩擦速度和热力稳定度的变化特征及其与风速、热力稳定度的参数化关系.结果表明,动力学粗糙度随风向有明显的变化,因风向区间通量的不同而不同;动力学粗糙度与风速整体呈负相关,且在不同站点存在显著差异,在草地和混合型下垫面的相关性较好,而在农田下垫面相关性较差.动力学粗糙度与摩擦速度的关系相对较为复杂,在小摩擦速度区间随摩擦速度递增而递增,在大摩擦速度区间随摩擦速度的递增而递减.大气稳定时,粗糙度随热力稳定度呈显著负相关,大气活跃时,粗糙度随热力稳定度呈正相关.     

江苏句容下蜀次生栎林的空气动力学参数研究

根据江苏句容下蜀次生栎林气象观测塔30 m处三维超声风温仪1 a的观测资料,应用温度方差方法计算了空气动力学参数,并对其影响因子(风向、风速、摩擦风速和叶面积 指数(LAI))进行了分析。研究结果表明,零平面位移d和粗糙度Z0都具有明显的随着植被生长先增大后减小的季节变化趋势,两者生长季的平均值为15.20 m和1.86 m,非生长季为 14.25 m和1.24 m。d随风向无太大变化,Z0在90°~180°和300°~30°的主风向上有显著变化,平均值分别为1.23 m和1.81 m。Z0随风速增大而减小,当风速增大到一定程度后Z0 随风速的变化较小,而Z0随着摩擦风速的增大而变大。d随LAI增大而增大,Z0也随LAI增大而增大,当LAI增大到一定值时,Z0随着LAI的增大而变化不大。根据有效数据比分析表明 ,TVM法中的系数C3取3.5、C1取0.9~1.05较合适。     

植被覆盖条件下地表输沙率模型

在总结已有植被覆盖条件下地表输沙率模型研究成果的基础上，引入了三个描述植被特征的物理量：植被覆盖率、植被侧影盖度和植被排列系数，通过理论分析，推导出以上述三个物理量为变量的地表输沙率模型，并通过风洞实验得到验证．结果表明，该模型能够正确反映植被条件对于地表输沙率的影响，对于干旱半干旱地区的植被恢复具有理论指导意义．     

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．     

上海城市对风速的影响

本文根据上海城市和郊区实测的风速资料,首先论证了由于上海城市的发展,建筑群增多、增密、增高,导致下垫面粗糙度加大,其摩擦阻障效应消耗了空气水平运动的动能,因而使城区的年和月平均风速减小。其次,分析了上海城市热岛效应与风速的相互影响:盛行风速小,有利于热岛的形成;热岛强时,容易发展垂直湍流,有使城区风速增大的效应;在背景风场微弱时,热岛温度场会导致热岛环流。最后,阐明上海城市与郊区的风速差异有一临界风速v_0。当盛行风速大于v_0时,城市下垫面粗糙度大,使风速减小的效应突出;相反,当盛行风速小于v_0时,热岛湍流使城区风速增大的效应显著。上海v_0的年平均值在2米/秒左右。     

上海城市对风速的影响

本文根据上海城市和郊区实测的风速资料,首先论证了由于上海城市的发展,建筑群增多、增密、增高,导致下垫面粗糙度加大,其摩擦阻障效应消耗了空气水平运动的动能,因而使城区的年和月平均风速减小。其次,分析了上海城市热岛效应与风速的相互影响:盛行风速小,有利于热岛的形成;热岛强时,容易发展垂直湍流,有使城区风速增大的效应;在背景风场微弱时,热岛温度场会导致热岛环流。最后,阐明上海城市与郊区的风速差异有一临界风速v_o。当盛行风速大于v_o时,城市下垫面粗糙度大,使风速减小的效应突出;相反,当盛行风速小于v_o时,热岛湍流使城区风速增大的效应显著。上海v_o的年平均值在2米/秒左右。     

平坦沙地的空气动力学粗糙度变化及其物理意义

利用风温廓线法测定了不同大气稳定度下的空气动力学粗糙度，以跃移传感器（saltiphone）记录的瞬时最小跃移通量观测瞬时起动摩阻风速.观测数据表明：空气动力学粗糙度随着大气稳定度变化而呈现明显的变化，近中性层结下其平均值在（1.2—4.5）×10^-5m之间，不稳定层结的平均值在(0.5—1.1）×10^-4m之间，稳定层结的平均值在3×10^-6—2×10^-5m之间，不稳定层结空气动力学粗糙度高，稳定层结的低，近中性层结介于两者之间；3种大气稳定度下跃移过程的平均空气动力学粗糙度高于无跃移过程，近中性层结无跃移过程的平均空气动力学粗糙度在1—3×10^-5m之间；野外测定的每日平均起动摩阻风速在0.19—0.26m·s^-1之间变化.观测与模拟结果表明近中性层结地表无跃移过程下测定的空气动力学粗糙度对起动摩阻风速是有效的，而非中性层结下测定的空气动力学粗糙度对起动摩阻风速对起动摩阻风速的作用不显著，这能够从物理机制上得到说明.大气稳定度虽然对起动摩阻风速影响不大，但是否影响到风蚀强度还需要进一步的研究.     

Interaction of aerodynamic roughness length and windflow conditions and its parameterization over vegetation surface

Surface aerodynamic roughness length is usually taken as a constant. In fact, it displays a remarkable dynamic change over underlying vegetation surfaces, because of the coupling of land surface roughness elements and windflow conditions. Current international research on this dynamic change and associated mechanisms is very limited. Using observations from different underlying surfaces (including forest, farmland and grassland) provided by a northern China coordinated observation test, the variation of aerodynamic roughness length, along with wind speed and friction velocity, is analyzed. We introduce two relationship fits, between aerodynamic roughness length and wind speed u, and dynamic variable u2/u*. Results show that aerodynamic roughness length has a clear dynamic change, and has complicated interactions with near-surface windflow. Further, the relationship fits between aerodynamic roughness length, u and u2/u*, are not only related to the roughness properties of the underlying vegetation surface (e.g. plant height), but also to plant dynamic response characteristics (e.g. flexibility). Aerodynamic roughness length decreases with increasing wind speed, because near-surface windflow conditions can change both plant roughness properties and airflow. However, the change of aerodynamic roughness length with friction velocity is complicated, and its sensitivities and transition points significantly depend on vegetation type. For underlying surfaces of forest and corn, with relatively substantial vegetative cover, roughness length correlates well with wind speed. For a surface with short vegetative cover, like natural lawn, the correlation is low. However, for all of the three vegetative surfaces, there is a close relation between roughness length and u2/u*, and their coefficients of fit from testing essentially represent the plant height and flexibility of different vegetation types. The test results also indicate that the parameterized relationships of roughness length over the underlying vegetation surface hold prospects for application.     

挡风墙尾流作用下导线表面粗糙度对接触网正馈线气动特性的影响

大风经过兰新高铁沿线挡风墙后,容易引发接触网正馈线发生舞动现象。为分析挡风墙尾流作用下导线表面粗糙度对正馈线气动特性的影响,基于流体力学建立铁路挡风墙尾流风洞实验装置与5种不同表面粗糙度导线模型。由于导线与整体计算域尺寸差距悬殊,对整体计算域的网格采用分块划分。利用流体仿真软件研究不同风速下正馈线的气动特性。结果表明：正馈线表面粗糙度越低,升、阻力增大越明显。在入口风速为1 m/s时,不同表面粗糙度正馈线升、阻力系数基本值保持稳定;在入口风速大于5 m/s时,随着表面粗糙度降低,正馈线升、阻力系数增大;不同表面粗糙度的正馈线尾部流场产生的漩涡不同,并且在导线凹凸处产生不同的细小漩涡。正馈线近壁面的气体流动特征发生较大变化,对导线气动特性影响较为明显。     

平台运动对海上浮式风机的气动性能影响研究

研究了浮式平台的运动响应对风机气动性能影响.利用动量叶素理论及变速变桨比例积分微分（PID）控制技术,考虑了低于额定风速、额定风速、高于额定风速3种工况,对NREL 5MW水平轴风机随浮式平台运动的气动性能进行了模拟和分析.仿真结果表明：浮式平台的运动使风轮产生了与遭遇波浪同频的周期性载荷,同时浮式平台的运动响应幅值越大,低于额定风速时的平均功率越高,且额定风速时的平均功率越低,而高于额定风速时的平均功率基本不变.     

Functional design of wind turbine airfoils based on roughness sensitivity characteristics

To improve aerodynamic performance of wind turbine airfoils,the shape profile characteristic of the airfoil is investigated.Application of conformal transformation,one functional and integrated expression of wind turbine airfoils is presented.Using the boundary layer theory,the aerodynamic model with roughness of wind turbine airfoils is introduced by studying flow separation around the airfoil.Based on the shape expression and aerodynamic performance of airfoils,the function design of wind turbine airfoils is carried out that the maximum lift-drag ratio and low roughness sensitivity are designed objects.Three wind turbines airfoils with different thickness are gained which are used at tip part of blades.As an example,the aerodynamic performance of one designed airfoil with relative thickness of 15% is simulated in different conditions of clean surface,rough surface,laminar flow and turbulent flow.The comparison of aerodynamic performance between the designed airfoil and one popular NACA airfoil is completed which can verify the better performance of the designed airfoil and reliability of the designed method.     

覆冰单导线舞动非线性数值模拟

为研究覆冰导线的舞动响应,针对覆冰导线所受空气动力的非线性和导线大幅运动的几何非线性,采用具有3个平动自由度和1个扭转自由度的两节点索单元,建立了考虑空气动力荷载与位移和速度耦合的舞动分析有限元模型。采用对加速度中心差分、对速度向后差分的时间积分法对舞动进行非线性数值求解。利用MATLAB编制了相应的计算程序。通过对算例的舞动数值模拟验证了该方法与程序的正确性;且具有较高的计算精度及效率;并利用该方法研究了风速对舞动的影响。研究结果表明在初始攻角不变的情况下,随着风速增大,导线的振幅不断增大;但导线竖向振幅增幅较大,水平向振幅增加较小;当风速增大到一定程度,竖向振幅增加开始变得不明显,振幅最终趋于稳定值。     

不同风速下风力机叶片的振动特性研究

针对风力机叶片在正常工况下运行时受到周期性的气动力导致叶片发生振动,降低叶片使用寿命的情况,研究了风力机叶片在不同风速下的振动特性。选取不同风速条件下的5种工况 (风速范围为15~40 m/s),选用CFD方法对NREL PHASE VI叶片进行模拟计算,获取不同风速下的振型和振动位移曲线。结果表明：叶片的主要振型是挥舞和摆振,高阶叶片振型存在着弯曲和扭转组合的复杂变形;来流速度从15 m/s增大到40 m/s时,叶片吸力面的压力分布不均匀性不断提高,来流速度为40 m/s时最大压力差值约达到3 000 Pa;来流速度为15 m/s时振幅最小为0.525 4 mm,来流速度为40 m/s时振幅最大,为3.628 2 mm,约是最小振幅的6.9倍;5种工况的振动曲线均呈现衰减趋势,叶片趋于稳定振动;当来流风速越大时,由来流风所产生的气动力对叶片的作用力越大,叶片的振幅呈现增大的趋势。研究结果可为风力机设计提供参考。