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.     

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.     

峡谷地形平均风速特性与加速效应

采用计算流体力学(CFD)方法建立多个数值模型,通过与风洞试验的对比分析验证了数值模拟结果的可靠性,较系统地研究并详细分析了峡谷长度、山顶间距、山脉坡度3种地貌因素对平均风加速效应的影响.结果表明:山脉顶部加速效应主要受山脉坡度的影响,在近地面内坡度越大加速效应越明显;峡谷内部加速效应受多种地貌因素影响且变化趋势较为复杂,必须考虑峡谷侧坡边界层的影响和流动的三维效应,当峡谷长度越短、山顶间距越小、山脉坡度越大时,迎风谷口处在近地面内的加速效应越明显.最后计算出典型峡谷的风压地形修正系数,并与我国建筑结构荷载规范进行对比.     

风电场复杂地形效应的数值模拟及微观选址

以复杂地形风电场微观选址问题为背景,通过对孤立山丘、断崖和山谷复杂地形的数值模拟,研究坡度和粗糙度对不同地形的风场影响,并在数值模拟结果的基础上进行了风场的微观选址分析.通过对三种不同地形模型进行数值分析,在坡度越大时山顶处的风速就越大,粗糙度越大风速就越小,并容易产生回流区.对于山丘模型,在背风面坡脚处湍流强度最大,风机应选址在山顶或半山坡以上;对于断崖模型,在山顶处湍流强度最大,风机适宜选址在坡顶和坡顶水平后方;而对于山谷模型,在谷底处湍流强度最大,风机适宜选址在坡顶处.     

风沙流对坡面加速比的影响

采用欧拉双流体模型,利用数值方法研究了风场中沙粒体积分数和沙粒粒径对坡面风加速比的影响.结果表明,坡面风加速比受沙粒的影响很大,在净风场时坡顶表面风加速比均大于0,而当风场挟沙时在中间高度区域风加速比小于0.随着入口沙粒体积分数的增加,坡面风加速比减小;随着沙粒粒径的增大,坡面风加速比减小,但在上壁面附近加速比随着沙粒粒径的增大而增大.     

山体坡度对山体周围高速公路路面风速及行车安全的影响

为深入研究山体坡度对山体周围环境风的影响,基于计算流体力学理论,选择Fluent仿真环境建立高度相同、坡度不同的二维余弦山体模型进行数值风洞试验.依据高速公路与山体的空间位置关系以及常见车型的风压中心高度,定量研究了山体坡度与山体周围高速公路路面环境风的关系.实验结果表明,山体顶端和山体下游区域是山体周围环境风的局部极大值点,并通过数据分析和曲线拟合得到了相应的拟合公式.实验结论揭示了途径山体的高速公路路面环境风受山体坡度变化的影响规律,为三维山体建模仿真参数的确定提供了依据,可为"风-车-路"系统的深入研究、待建高速公路的选线以及运营高速公路的风速预警系统提供理论和技术支持.     

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。     

复杂地形条件下大气风场的三维数值模拟研究

基于k-ε湍流模型建立了大气风场的数学模型,本文计算了不同粗糙度复杂地形下风场,模拟结果给出了不同环境风速条件风场的速度等值线,粗糙度为0.1 m的地形的气流输运能力要大于粗糙度为1.0 m地形,这为下一步研究污染物的迁移扩散打下了基础.     

单塔和双塔情况下大型冷却塔的表面风压研究

针对大型冷却塔在单塔和双塔情况下的表面风压分布,应用风洞试验方法进行研究,采用增加模型表面粗糙度的方法来补偿模型试验的雷诺数效应,通过与以往成果的比较以确定合理的粗糙度,进行变风向角和塔间距工况的双塔干扰试验.研究表明:模型表面粗糙度对冷却塔外表面风压系数有较大影响;双塔串列时前塔对后塔的影响远大于后塔对前塔的影响;斜列时可根据前塔对后塔的干扰程度并按风向角划分为3个区域.同时给出典型塔间距下考虑风向角因素的后塔体型系数包络线,供设计参考.     

稳态冲击风作用下高层建筑风荷载特性试验研究

雷暴冲击风风场与大气边界层风场差异较大.为研究雷暴冲击风作用下高层建筑风荷载特性,采用静止型冲击射流装置模拟稳态雷暴冲击风风场,进行高层建筑刚性模型测压试验,讨论了不同径向位置处高层建筑局部和整体风荷载时域和频域特性.结果表明:建筑表面平均风压最大值出现的位置与径向风速峰值一致.同时,迎风面风压最大值出现在底部,明显不同于大气边界层风场中最大值靠近顶部位置的风压分布特性;径向层风荷载均值最大值出现在建筑中部,横风向和扭转向层风荷载均值为0.径向和横风向层风荷载谱沿高度不变,而扭转向层风荷载谱沿高度变化明显.     

并列建筑物周围风场的数值模拟

研究单体建筑物高度及并列建筑物高差及并列建筑物间距等因素对并列建筑物周围风场的影响．建立了10组不同的并列建筑群布局,计算采用标准k-ε湍流模型．数值计算得到各种布局下建筑群周围风场,并对它们进行了对比分析．结果表明,单体建筑物高度与并列建筑物高差、并列建筑物间距与单体建筑物高度差共同对并列建筑物周围风场产生影响．     

表面粗糙度对双曲冷却塔风压分布的影响

对不同粗糙条参数组合下冷却塔风压分布进行测试,分析粗糙度对平均风压和脉动风压的影响.研究结果表明:粗糙条宽度b对风压分布影响较小,而粗糙条高度k和数量n影响较大;粗糙度系数k/s能较准确描述粗糙度大小,当k/s一致时,不同粗糙条数量n与高度k组合下的平均风压基本一致,但高度大的脉动风压小;粗糙度对正压分布和背压大小影响较小,而最小负压系数幅值、脉动风压系数峰值随粗糙度的增大而减小,背压稳定区宽度则略有扩大;尽管通过增大模型表面粗糙度能有效地在较低雷诺数条件下实现高雷诺数下的平均风压分布,但脉动风压模拟的准确性需要通过大型冷却塔风压实测进行验证.     

兰州东部地区冬季地面风场特征

根据１９９６年１２月在兰州市东峡口及东部山区多个观测点的地面风观测资料,分析了各个观测点的风向频率、静风频率、平均风速、风向和风速的日变化特征,以及地面流场特征,结果表明,冬季兰州东部地区的最多风向为东风或偏东风,静风频率比较高,平均风速较小,不同地点的风向日变化规律不尽相同。盆地风内速日变化幅度较大,东峡口及其东部山区的风速具有明显的日变化。东峡口外风速在傍晚迅速增大,夜间风速较白天变化为小,上     

复杂山地环境下脉动风速谱研究

进行了8种坡度下单个三维山体的模型风洞试验,讨论了山体各位置脉动风速谱的变化规律,以及坡度对脉动风速谱的影响.结果表明:背风面山脚0.8h高度以下位置,脉动风速功率谱与来流风速谱相比,功率谱峰值明显增大,峰值频率向高频移动,单峰特征明显,频带变窄.除此以外的背风面其他位置、迎风面以及山顶位置的脉动风速功率谱与来流风速谱基本一致.提出了山体背风面脉动风速能量由来流湍流能量和山体尾流涡旋能量构成的思想,将来流脉动风速谱与涡旋谱进行分离,并根据试验数据拟合,提出了保守的涡旋谱的计算公式.根据不同坡度山体的试验,得出了0.5为涡旋产生与否的临界坡度.     

两并列方形高层建筑局部风压干扰特性

对2个并列方形高层建筑模型进行了受扰建筑风压测量的风洞试验.根据试验结果,分析了施扰模型高度变化以及相对位置变化对受扰方形高层建筑表面局部风压的影响.结果显示,高度比固定、间距比变化时,平均和脉动风压系数干扰因子最大值在狭缝面和外侧面均随间距比的增大而减小,间距比等于2时,狭缝面的脉动风压放大较为显著,在前缘棱边的上端角部处为2.2,在迎风面和背风面则随间距比的增大而略有增大.间距比固定、高度比变化时,平均和脉动风压系数干扰因子最大值在狭缝面、外侧面和背风面均随高度比的增大而增大,狭缝面脉动风压增大最为显著,局部达2.7,在迎风面则受高度比变化的影响较小.     

风电机组主轴承选型与设计分析

分析比较了各种风电主轴承布置和选型的特点,包括使用调心滚子轴承的三点支承布置形式、双列圆锥滚子轴承与圆柱滚子轴承的组合、两个单列圆锥滚子轴承的组合、双列圆锥单轴承等,提出了根据不同的风机结构形式、载荷特点、受力状况、成本、重量等因素来设计轴系布局的思路。研究了影响风电轴承可靠性的综合因素,介绍了风载、传动系和轴承之间的相互作用关系。基于一个轴承可靠性分析的实例,分析了复杂地形的异常风切变和湍流对载荷和轴承失效的影响,发现大量发生风机故障的风场都存在共性,故障机位点的地形和风况条件较复杂,例如机位点坡度陡峭,机位点旁边有山包、陡壁、深谷等不利地形特征,各个机位的相互距离过近,造成较大尾流影响等。这类因素容易产生异常风切变和湍流,导致风载超出轴承的设计载荷。讨论了对风场的地形和风资源进行深入分析研究的方法。