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%.     

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。     

障碍物对孤立山丘三维风场的影响

采用数值计算软件FLUENT研究障碍物的尺寸、障碍物与山坡坡底的距离对山丘风场的影响.根据计算结果绘制山顶上方50m处的湍流强度和速度变化图,山丘表面风速值线图以及来流方向分风速等值线图.分析结果表明:障碍物越高,距离山坡坡底越近,山顶风速减小幅度越大,越不稳定;山丘上游存在障碍物时,迎风坡和背风坡均出现低速区;障碍物距离山坡坡底较近时,迎风面上还出现了回流现象.迎风面、背风面的速度变化较大,不适合安装风力机;山丘两侧风速一直变化不大,比较适合安装风力机.     

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.     

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.     

复杂地形风能评估的CFD方法研究

不可再生能源的日益枯竭为风能的发展带来了机遇与挑战。我国风能资源丰富的东南沿海及岛屿多是复杂山地地形,传统的风能评估方法在复杂地形中并不适用,这使得风力发电机的微观选址难于实施。本文将研究复杂地形中风场分布的CFD精细化模拟方法,使其能为风机的微观选址提供依据。从海拔最高站点的记录中选定了两次风向稳定的强风过程为研究工况,并分别建立了地形的六面体结构网格模型,选用40m×40m和20m×20m两种网格分辨率,采用两种雷诺平均湍流模型,将得到的风场分布同现场观测数据进行了对比。结果表明湍流模型SST k-ε 的结果更准确,20m的水平网格分辨率对复杂地形风场的估计已有较高的精度。最后,联合风加速比分布与当地的常年气象资料,提出一套基于CFD方法的复杂山地地形全风向风能评估方法。     

海岛微地形风洞试验研究

海岛四周由于受海风影响较大,其风场特性处于不断变化中,准确了解其风特性是进行相关建设抗风设计的基础。然而,现行相关规范描述风场特性的数学模型通常仅适用内陆平坦地形,尚不足以描述类似海岛地形的风环境。因此,本文采用风洞试验的方法对南澳岛上一山谷内的风场特性进行了研究。研究结果表明：越靠近山谷中心,平均风速剖面与湍流强度剖面变化越大;主要风向来流下各测点的脉动风速功率谱与vonKarman谱较为吻合。本文研究成果可为类似地形下的工程设计提供试验依据。     

小尺度新月形沙丘背风侧流场特性的大涡模拟分析

为了准确获得新月形沙丘背风侧湍流流场流动特性,采用基于Smagorinsky的亚格子尺度涡黏模型的大涡模拟(LES)方法,对简化了的实验缩比小尺度沙丘模型绕流气相流场进行了数值研究,模拟了相同来流风速、不同沙丘迎风坡度和高度下背风侧风场的湍流流动模式,获得了背风侧区域地表面摩擦系数分布,比较了回流区长度和湍流强度分布.模拟结果表明:LES方法能较好地揭示背风侧湍流流场特性;流场重附距离随沙丘迎风坡度和高度的增加而增大;背风侧回流区内湍流强度总体上比回流区外大,回流区内沙丘坡脚位置及重附点位置处湍流强度最大值出现在贴近地表附近,随沙丘高度的增加而增大;回流区中部湍流强度最大值出现在回流区顶部,随沙丘高度的增加先增大后基本不变.     

青草背长江大桥桥位风速脉动特性实测分析

为研究山区风场近地层风速的脉动特性,利用安装在青草背长江大桥上的高频风速仪对桥址处风场进行为期8个月的全程监控.根据实测风速序列分析了在桥址处平均风速、风向、湍流强度、阵风因子和功率谱的统计特征,并针对山区风阵风因子随湍流强度变化关系以及不同计算时距条件下阵风因子的换算关系进行了探讨.研究结果表明:受局部热力环流的影响,桥址风场具有明显周期性变化特征;高风速下顺风向湍流强度及竖向风速相对湍流强度大于桥梁抗风设计规范建议值,而横风向相对脉动强度则比桥梁抗风规范值小;阵风因子随阵风计算时距的变换规律可以用对数高斯函数加以描述;山区复杂地形、地貌导致风速中湍流成分发育更为充分,湍流高频能量相对较大,脉动风速谱在高频段比规范推荐风谱大,低频段比规范推荐谱小.     

基于多重分形的湍流风场脉动特性

为了定量分析风速时间序列的内在波动性,采用多重分形方法研究了湍流风场的脉动特性.基于湍流风谱模型获得了不同地表面粗糙度下的湍流风速时间序列数据,利用结构函数法计算了不同风速时间序列的分形维数,分析了地表面粗糙度对风速时间序列的分形维数的影响,采用多重分形-去趋势波动分析方法对湍流风速时间序列进行多重分形分析,以探讨湍流风场的内在波动性.结果表明,随着风速时间序列的地表面粗糙度的增大,分形维数和Δα(Δα为最大与最小组成元的比值)减小,|Δg|(Δg为最大与最小组成元出现的概率的比值)增大,即风速的脉动幅度减小.     

西部山区斜拉桥风特性观测及数值仿真

针对山区地形地表类别不易确定、风环境复杂的问题,结合山西省禹门口黄河斜拉桥的实际工程,利用自行开发的桥梁风场特性分析系统,对桥址处一年多实测风速数据进行分析计算;并基于"数值风洞"模拟技术,采用Realizable和SST湍流模型,按有实桥结构和无实桥结构2种情况建模,模拟了7种工况下桥位及其周边的风场,得到了典型的西部山区峡谷风场的特点和规律。结果表明:受峡谷风效应影响,桥位风速增加;气流攻角在-9°～8°范围内,比平原地区大;风剖面应通过实测风速数据拟合,不能直接套用规范;湍流度和阵风因子小于一般气象强风条件下的值。     

坡地高层建筑非稳态雷暴冲击风荷载特性研究

目前结构风工程对于雷暴冲击风风荷载的研究多局限于稳态冲击射流模型,较少考虑风速随时间的变化以及坡地地形等因素的影响.基于冲击射流模型,引入衰减函数使得射流的入口风速更加接近真实的雷暴冲击风整个生命周期的衰变过程,并通过瞬态大涡模拟(LES)分析了坡地地形中坡顶位置处典型高层建筑的建筑风荷载特性及坡地地形雷暴冲击风场特性.结果表明,LES瞬态模拟具有较高的可靠性,非稳态冲击风场的风速波动较大,变化规律与实测的下击暴流风速曲线类似;建筑表面的风荷载具有强烈的非平稳特性,且随着风速迅速衰减;非稳态冲击风的风荷载波动大且潜在破坏能力更强;坡地地形下建筑迎风面风荷载普遍比平地小,且对建筑中上部的影响明显要大于底部,随着起坡角度的增大,建筑中上部风荷载逐渐减小.     

大跨度桥梁近距离拉索风载作用的数值模拟

为了研究大跨度桥梁中近距离并列拉索在脉动风场下的响应,建立桥梁并列拉索三维实体数值模型,采用MATLAB软件模拟随机脉动风场并导入流体力学计算软件Fluent中,选择计算精度较高的重整化群组理论(RNG)k-ε湍流模型作为计算模型,对近距离并列拉索的3种不同高度处风压分布和风速分布进行数值分析。结果表明:风压力随着高度的增加而增大,在上游拉索前端正压力最大,两侧负压力最大;最大风速出现在两索之间,在下游拉索后端不断减小,随着高度的不同,风速变化呈现规律性;在上游拉索和下游拉索之间区域的风速出现紊乱现象,主要原因是拉索距离较近,两索之间相互影响效应比较明显。     

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。     

二维垂向淹没射流冲刷粗砂砂床的数值模拟

采用泥沙冲刷模型对二维淹没射流冲刷无黏性砂床作了数值模拟,冲刷时间为10 s。湍流模型选用RNGk-ε模型,它对于低强度湍流和具有强烈剪切区域的流动应用更加广泛。数值计算结果和实验结果吻合比较良好。数值模拟结果和实验结果都表明:当冲刷时间相同时,射流速度越大,冲刷深度越大;当射流速度一定时,最大冲坑深度和冲刷时间呈对数关系。     

铀矿通风尾气中气态放射性核素氡大气扩散数值模拟

以某铀矿排风井为对象建立物理模型,通过建立核素氡扩散数学模型,利用CFD方法耦合求解得到不同大气风速(0.5,1.0,2.0,4.0 m/s)和下垫面粗糙度(0.1 m,1.0 m)下的大气风场结构及核素氡的浓度分布状况.研究结果表明:大气风速和下垫面粗糙度对核素氡的迁移扩散具有重要的影响;当大气风速小于0.5 m/s时,此时地面粗糙度对核素氡迁移扩散起主导作用.地面粗糙度越大,近距离的氡气浓度越高,局部污染越严重,主要污染范围在100 m以内;当大气风速大于2.0 m/s时,大气风速对核素氡迁移扩散起主导作用.大气风速越大,氡气迁移扩散能力越强,污染距离越大,局部污染较轻,主要污染范围在400 rn以内.文中数值计算方法和结论可以为铀矿区辐射防护及新建铀矿山选址提供参考.     

丘陵地区深切峡谷风特性现场实测研究

根据测风塔和当地气象站数据,对江底河大桥桥址处深切峡谷的风场特性进行研究.基于数据统计分析得到桥址处风场的平均风速、风向、湍流强度、湍流积分尺度和湍流的功率谱密度函数.结果表明:该桥所在的深切峡谷地形对风向有锁定作用、对风速有加速作用、并且对各个风向下的湍流特性有明显的影响;深切峡谷顺风向湍流强度与平均速度的关系用反比例型函数拟合,拟合效果良好且高风速下接近规范值;竖风向湍流强度明显高于规范推算值.顺风向实测风谱与Kaimal谱相差较大而与von Karman谱吻合较好;竖风向实测风谱明显大于Panofsky风谱而与von Karman谱比较接近.横风向实测风谱与Panofsky谱、von Karman谱都比较接近.     

基于k-ε模型的剪切流中湍流动能衰减规律研究

分别从理论推导和数值模拟的角度,分析了剪切流中湍流动能的衰减规律.通过简化湍流变量输运方程,采用Matlab求解了使用标准k-ε模型计算剪切流时湍动能在不同高度处的数值解,通过fluent数值模拟,验证了理论数值解,并与均匀流中的数值模拟结果进行对比,分析了在剪切流中入口湍流强度和湍流黏性比、来流速度梯度和输运方程扩散项等对湍流变量衰减的影响规律.结果表明:剪切流中存在湍流动能衰减;入口湍流强度对湍流变量输运方程生成项的影响较大,湍流黏性比对湍流变量输运方程生成项的影响较小;当入口湍流强度相同时,入口湍流黏性比越大,湍动能衰减的越快,来流速度梯度对湍动能衰减的影响越小;当入口湍流黏性比相同时,入口湍流强度越大,湍动能衰减的越慢,来流速度梯度对湍动能衰减的影响越大.     

起伏地形对风场风速的影响

风流经山地区域时,起伏地形会显著改变风速的大小.研究起伏地形对风速的影响,对合理布置风力机具有重要意义.采用数值模拟和实验研究的方法,对一个山脊和两个山脊两种模型对来流风速的影响进行研究.结果表明:来流经过单独山脊2时,山脊底部的风速相对于来流明显减小,山脊顶部风速明显增大,最大风速出现在山脊背风面高于山顶的地方.山脊1使山脊2背风面来流方向风速减小,山脊顶部的来流方向风速增大.在山脊背风面靠近山顶的地方适合布置风力机.     

不同建筑顶部风力机安装位置的数值模拟

基于CFD方法对同一风场下不同屋顶形状的建筑模型进行数值模拟,引入平衡大气边界层和地表粗糙度等影响条件,对比分析5个风向角下6种屋顶结构对应的流场变化,根据25个参考位置的风速增长系数及湍流强度的变化情况来判断理想的风力机安装位置。结果表明:模拟平衡大气边界时,利用流场边界条件以及控制方程参数的修正能实现整个流场入流参数的水平稳定;不同屋顶形状的建筑对应的最佳安装位置在不同的风向下差异较大,在正面迎风的情况下,以流线型为主的拱形和球顶在中心位置处安装风力机能获得1.13倍的风速增长;在所有的迎风情况中,侧面45°迎风中以球顶中心处安装最佳,理论上能提高52.1%的发电效率。