复杂地形上城市热岛的数值模拟

用复杂地形上的三维边界层模式模拟了兰州市城关区的城市热岛,模拟得到的温度廓线和热岛强度与实测结果一致,模拟结果还显示了热岛的温度场和流场的三维结构,兰州市夜间热岛环流明显,地形山俗风对热岛环流有影响,热岛强度有明显的时间变化,城市热岛的形成主要是天气尺度的地转风和城市热源,地形等因素相互作用的结果。当地转风不变时,对热岛的形成起主要作用的因素是人工热源。     

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.     

大跨度膜结构周围复杂风场的Monte Carlo模拟

针对膜结构周围复杂地形区域内的三维湍流,采用Monte Carlo模拟技术对非均匀流风场湍流进行建模,用FFT变换代替基于谐波叠加原理的经典模拟方程.湍流功率谱密度矩阵的分解采用本征正交分解获得,用平行算法执行整个模拟程序.最后,将该程序用于模拟一体育场膜结构挑篷周围三维风场.模拟谱与目标谱符合良好,证明了该建模方法和提高计算效率的三种方法的正确性和有效性.     

复杂地形上的低层风场特征

为了获得复杂地形上的城市地区低层风场特征,结合各个分散站点的实测风场资料,利用质量守恒风场调整模式M CF进行了三维风场模拟分析。以北京为例,对该地区低层大气的平均流动状况和局地扰动状况进行了模拟,获得了该地区流场总体平均状态和局地扰动状态的时空变化。结果表明:该地区风场季节变化主要受大尺度背景风场决定;流场的垂直分布主要由地形和背景风场共同决定。冬季流场主要受地形动力作用,而夏季则受热力作用,具有很强的局地环流;晴稳天气条件下,低层流场受地形扰动影响较强,其影响表现为水平涡旋形态,城市对涡旋产生也具有显著的影响。     

基于WRF与CFD的复杂地形风场多尺度耦合模拟分析

在超高层建筑结构抗风研究中,风场的准确模拟是重要的前提条件.文中综合利用WRF(中尺度天气预报)模式可以模拟高空大气环流、小尺度CFD模拟具备高时空分辨率的特点,选取深圳气象塔周边地带作为一典型丘陵地貌风场研究区域,基于四维数据同化(FDDA)技术的WRF模式,以及平衡态大气边界层CFD模拟,进行这一复杂地形局部风场的...     

基于谐波合成法的大涡模拟脉动风场生成方法研究

为准确模拟大涡模拟入口处的脉动信息,在充分考虑脉动风场的功率谱、相关性、风剖面等参数前提下,运用谐波合成方法生成了满足目标风场湍流特性的随机序列数,通过对FLUENT软件平台进行二次开发,将生成的随机序列数赋给大涡模拟的入口边界,从而实现了大涡模拟的脉动输入.基于风洞试验数据,分别建立了两种模拟脉动风场的数值模型,一为没有任何障碍物的空风洞,运用谐波合成方法生成的随机序列数作为入口边界来生成脉动信息;二为与真实风洞一致的尖劈粗糙元风洞,采用平均风作为入口边界,利用尖劈粗糙元对风场的扰动来产生脉动信息.通过对比两种数值模型发现:基于谐波合成方法生成的脉动风场可作为大涡模拟的入口边界,可为大涡模拟脉动入口研究提供参考.     

基于复杂地形下月平均气温分布式模拟的山区逆温研究

山区实测资料短缺对研究山地逆温带来不便,利用复杂地形下月平均气温分布式模型模拟的气温结果,对天山、哀牢山、武夷山山区逆温的高度、厚度、强度进行了研究,描述了逆温的时空分布规律,并对其成因进行了简要分析。研究结果表明各山都存在多层逆温,相比山体上部来讲山脚逆温出现频率高,强度较大,厚度达到400 m。不同坡向逆温出现的海拔高度、厚度、强度不同,但不同年份的总体走势变化不大。经过对比,证明利用复杂地形下月平均气温分布式模型得出的逆温结果与前人成果具有一致性,能较好地反映出我国不同气候区域山地区逆温随坡向的分布和季节变化特征,对局地小气候的特征规律也能够较好的表达。     

基于WRF与CFD的复杂地形风场多尺度耦合模拟分析#br#

在超高层建筑结构抗风研究中,风场的准确模拟是重要的前提条件。文中综合利用WRF（中尺度天气预报）模式可以模拟高空大气环流、小尺度CFD模拟具备高时空分辨率的特点,选取深圳气象塔周边地带作为一典型丘陵地貌风场研究区域,基于四维数据同化（FDDA）技术的WRF模式,以及平衡态大气边界层CFD模拟,进行这一复杂地形局部风场的多尺度耦合仿真分析。风场仿真结果验证了WRF模拟中AN（分析松弛法）与SAN（近地面分析松弛法）同化方案的适用性,相对而言,AN方案模拟精度更高;相较单一的中尺度WRF模拟,WRF-CFD多尺度耦合模式结果与气象实测数据更吻合,表明多尺度耦合模拟中,由于中尺度WRF模式可为小尺度的CFD模型提供更准确的入口边界条件,并通过网格嵌套实现边界层内的降尺度精细化模拟,从而可以提升风场本身的模拟精度。基于WRF-CFD边界层风场的多尺度耦合模拟将是提高高层建筑结构风效应模拟分析精度的有效途径。     

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。     

基于大涡模拟的山区桥址风场及其对桥梁抖振响应的影响

为研究位于复杂山区地形的桥址区风场特性及其对大跨度桥梁抖振响应的影响,以山区某斜拉桥为工程背景,采用大涡模拟方法获取桥址区足量监测点的脉动风场特性;分别以传统谐波合成法模拟的脉动风场、规范建议的C类脉动风场与大涡模拟方法计算得到的脉动风场计算桥梁的抖振力,并对三者进行了抖振响应对比分析;研究了桥址区非均匀风场特性对桥梁抖振响应的影响.研究结果表明：位于山区地形的大跨度桥梁的平均风速、风攻角以及紊流强度等特性沿桥跨呈现明显的非均匀性,紊流强度比、脉动风速谱以及相干函数均与规范建议值不同,反映了规范建议值在复杂山区风场中的适用性有限.采用谐波合成法模拟脉动风场得到的抖振响应相比大涡模拟方法同步监测所得到的脉动风场下抖振响应偏不安全,采用规范建议谱模拟风场所得的抖振响应相较于大涡模拟方法所得的抖振响应在竖向位移结果上偏不安全,但侧向位移和扭转位移结果上却偏于保守.非均匀风速对主梁竖向、侧向及扭转抖振响应影响较大,而非均匀风攻角对主梁扭转响应也有一定影响.非均匀风速来流下,跨中竖向和侧向抖振响应谱明显高于均匀风速来流的,而跨中扭转抖振响应谱与均匀风速来流相比差距并不明显.     

大型中心城市平均风速剖面特性的风洞试验

用缩尺模型模拟了上海市同济大学四平路校区所处城市中心区域WNW方向上1.8km×8.0km范围内的真实地貌,通过对该地貌及其衍生地貌工况的风洞试验研究了城市地貌特征、远场与近场地貌的差异以及地貌起点到观测点的距离对平均风速剖面和相关风场参数的影响。结果表明,在平均风速剖面发展稳定前,梯度风高度处于不断升高中,地貌起点距观测点的距离对其影响较大;地貌特征对风剖面的影响极大;研究范围内的大城市中心地貌的地面粗糙度指数达到0.50～0.75,远大于我国现行荷载规范给出的大城市中心地貌的地面粗糙度指数值0.30。建筑结构荷载规范中大城市中心地貌的地面粗糙度指数取值有待增大。     

基于WRF模式研究动态风场对林火蔓延预测的影响——以西昌“3·30”森林火灾为例

风场是影响林火蔓延行为最关键的因素之一。许多林火发生在地形复杂多变的山区,会产生复杂的局部风场。为探究动态风场对林火蔓延预测的影响,以“3·30”西昌泸山森林火灾为研究对象,利用WRF(weather research and forecasting)模式模拟动态风场,并与林火蔓延模型耦合。分别将模拟风场和均一风场分别输入林火蔓延模型,基于林火蔓延过程中实际火场范围数据,分析动态风场对林火蔓延模型预测结果的影响。结果表明,耦合WRF模式和林火蔓延模型考虑了分辨率更高、且更为准确的局部风场,能够实现对森林火灾蔓延的动态模拟。预测得到的火场范围和均一风场相比,与实际范围具有更高的相似度。     

汽车后视镜流场的试验与数值研究

为了解后视镜的流场特性,以风洞试验与数值计算为手段,对后视镜的压力场与速度场进行测量和计算,并将测量结果与数值计算结果进行比较,评估两者的异同.数值计算结果与风洞试验结果的平均静压与速度、脉动速度的标准差以及自功率谱密度的一致性表明,所使用的数值计算方法具有可行性,能够较为真实地反映出后视镜的流场特性,数值计算结果与风洞试验结果能够相互验证.试验段近地面的平均静压变化反映出后视镜尾部的流动状态,能量耗散最为强烈的地方出现在远离后视镜约1.0倍后视镜直径的区域,回流区域影响范围可达3.0倍后视镜直径.后视镜尾部带有强烈的脉动速度,剪切层侧的速度脉动比其他区域大,个别测点脉动速度标准差数值可达来流速度的0.3倍,它们的主要能量集中在中低频区域.     

深圳大运体育中心行人风环境的大涡模拟

建筑群附近风环境的品质,直接影响地面行人的舒适与安全。以深圳大运体育中心主要建筑为工程对象,采用一种新的湍流脉动流场生成方法(discretizing and synthesizing random flow generation,DSRFG)模拟风场的实际湍流边界条件,基于数值模拟计算软件Fluent,对深圳大运会体育场馆为中心10 km范围内的山体和主要建筑物进行全尺寸大涡模拟计算,得到各风向角下体育中心速度场分布。结合当地气象资料,采用超越阈值概率法对体育场馆周围场地行人风环境进行预测与评估,并对风环境较差地区的成因进行分析并提供改良建议。结果表明:该研究方法可以较准确地预测出建筑群周围风环境分布,并为类似体育场馆设计的合理性以及行人风环境的研究与优化提供有价值的参考。     

复杂地形风能评估的CFD方法

为解决传统方法不能评估复杂地形风能分布的问题,从某复杂地形的实测记录中选定两次风向稳定的强风过程为研究工况,建立了该地形40m×40m和20m×20m两种网格分辨率的六面体结构网格模型,采用SSTk-ω及RNGk-ε两种湍流模型模拟了风速场分布.157°和83°两个风向的模拟结果表明,SSTk-ω模型优于RNGk-ε模型,20m水平间距的网格精度更高,其中SST（20m）的模拟结果和实测风速的平均相对误差分别为6.46%和5.50%.最后,综合CFD模拟的风速比分布与当地的常年气象资料,提出了复杂地形全风向风能评估方法.     

基于虚拟叶片方法的复杂地形风电场气动性能分析

基于计算机流体力学(computational fluid dynamics,CFD)方法和虚拟叶片(virtul blade method,VBM)方法研究了风力机尾迹与复杂地形的相互作用,以实际风电场为例,分析了造成复杂地形风电场中风力机振动的主要原因,提出了一种基于CFD的快速分析风电场气动性能的方法,比较了雷诺平均(Reynolds-averaged,Navier-Stokes,RANS)和大涡横拟法(large eddy simulation,LES)求解方法在捕捉地形效应和尾迹及预测风电场功率性能方面的差异。研究分析发现,机组尾流和复杂地形效应造成的湍流强度过大是造成该风电场风力机运行时剧烈震动的原因,LES方法预测尾流的延迟衰减和更明显的尾流干扰作用导致风电场的发电量低于RANS方法。RANS方法过度预测湍流,导致湍流动量更快的扩散和尾流快速恢复。因此,CFD结合VBM分析复杂地形条件下风电场气动性能的方法,可实现复杂地形大型风电场性能的快速分析,可应用于风电场相应气动控制策略的制定和复杂地形风电场的微观选址。     

雷暴冲击风作用下地面风压分布特征

提出了雷暴冲击风作用下地面风压分布的简便计算公式.以圆柱体计算流域模拟雷暴冲击风场,采用大涡模拟(LES)方法结合壁面射流模型对雷暴冲击风场进行了数值模拟,获得了雷暴冲击风从初始喷射到流场稳定的发展过程.射流前沿有一水平涡环,随着时间的推移而冲向地面,然后沿径向远离中心而去.分析得到了雷暴冲击风作用下地面的风压系数时程和时均风压系数,以及不同时刻的风速剖面.风速剖面与理论结果吻合良好,验证了方法的可靠性.仿真结果表明,雷暴冲击风场中心处压力系数最大,压力系数随着径向坐标的增大而减小,提出的公式能够很好地表达雷暴冲击风作用下地面处风压的分布特征.     

山区峡谷桥址处风场实测与数值模拟研究

为准确模拟山区峡谷桥址处的三维紊流风场,以澧水大桥所在峡谷为工程背景,将现场实测风场用谐波合成法进行等效处理生成了满足峡谷风场特性的随机来流,然后基于对Fluent的二次开发,将生成的随机来流赋予大涡模拟的入口边界.通过对比本文方法和无脉动入口计算结果发现,本文方法更能体现山区峡谷风场的真实流态,最后在本文方法基础上对不同风向角作用下的山区峡谷桥址处风场进行了数值模拟,得到了峡谷桥址处风场的详细分布特性,可为山区峡谷地形紊流场精细化数值模拟提供参考.