發(fā)布時間：2020-11-22 06:46

　　 隨著“一帶一路”倡議和“十三五”規(guī)劃的提出,在復(fù)雜地形區(qū)域進行基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)和風(fēng)資源開發(fā)等活動成為經(jīng)濟社會發(fā)展的必然要求。計算流體動力學(xué)(CFD)數(shù)值模擬是掌握山地地形風(fēng)場特性的有效手段,相較于現(xiàn)場實測和風(fēng)洞試驗具有直觀、高效、周期短、費用低等優(yōu)勢,近年來受到越來越多研究者和工程人員的重視。由于山地地形的風(fēng)場特性比簡單山體的風(fēng)場特性復(fù)雜程度更高,在山地地形區(qū)域進行開發(fā)建設(shè)僅僅依靠建筑結(jié)構(gòu)荷載規(guī)范的規(guī)定進行設(shè)計是難以滿足當(dāng)前開發(fā)建設(shè)需求的。因此,為了更好的服務(wù)于社會的經(jīng)濟建設(shè),充分了解復(fù)雜地形的風(fēng)場特性,進一步完善當(dāng)前荷載規(guī)范,為風(fēng)資源開發(fā)、城市風(fēng)環(huán)境研究、大氣污染物擴散研究等提供更加準確有效的指導(dǎo),有必要針對復(fù)雜地形風(fēng)場的流動特性進行數(shù)值模擬研究。本文首先基于標準k-ε湍流模型,進行了平衡大氣邊界層研究,通過在湍動能和耗散率的輸運方程中添加源項以及對底部和頂部邊界施加剪應(yīng)力的方法實現(xiàn)了大氣邊界層良好的自保持特性。然后以香港小蠔灣(SHW)觀測站周圍復(fù)雜地形為研究對象,建立高精度的復(fù)雜地形數(shù)字模型并進行高質(zhì)量網(wǎng)格劃分,開展了不同風(fēng)向下復(fù)雜地形風(fēng)場的數(shù)值模擬,將模擬得到的SHW處的風(fēng)場數(shù)據(jù)與風(fēng)洞試驗和現(xiàn)場實測數(shù)據(jù)進行對比,驗證本文CFD數(shù)值模擬方法的有效性和可靠性。隨后對復(fù)雜地形邊界的擴展方式以及復(fù)雜地形范圍和計算域尺寸進行了進一步的討論,選用了不同的復(fù)雜地形邊界擴展方式對數(shù)字地形邊界進行平滑過渡,對比分析了不同擴展方式下的復(fù)雜地形流場特性,并探討了復(fù)雜地形范圍大小和計算域尺寸的設(shè)置對復(fù)雜地形流場特性的影響,為復(fù)雜地形風(fēng)場數(shù)值模擬中的地形邊界處理以及地形范圍選取和計算域尺寸的設(shè)置提供了參考。最后為了在復(fù)雜地形風(fēng)場的數(shù)值模擬中施加更加符合實際的入流條件,保留更大范圍的原始地形的地貌特征,減少當(dāng)前數(shù)值計算中軟硬件水平的影響,提高復(fù)雜地形風(fēng)場數(shù)值模擬的效率和準確度,基于IMP法將復(fù)雜地形風(fēng)場模擬的計算域在來流方向上分為上下兩級,進行數(shù)值模擬,利用FLUENT將上一級復(fù)雜地形計算域模擬的速度和湍流特性等結(jié)果提取出來并作為下一級計算域的入口邊界條件來實現(xiàn)復(fù)雜地形風(fēng)場的快速高精度數(shù)值模擬。
【學(xué)位單位】：合肥工業(yè)大學(xué)
【學(xué)位級別】：碩士
【學(xué)位年份】：2019
【中圖分類】：X51;X16
【部分圖文】：

尺模型的數(shù)值風(fēng)洞模擬來對比和驗證這些措施的適用性和有效性。2.5 數(shù)值模擬針對每種剪應(yīng)力模型的數(shù)值模擬分為四種工況，工況一：采用標準 k- 模型和標準壁面函數(shù)；工況二：在工況一的基礎(chǔ)上添加源項修正；工況三：在工況一的基礎(chǔ)上對底面和頂面邊界施加剪應(yīng)力修正；工況四：在工況一的基礎(chǔ)上添加源項并對底面和頂面邊界施加剪應(yīng)力修正。2.5.1 數(shù)值建模計算域模型采用無障礙物的二維矩形空流場，利用 ICEM CFD 軟件建立計算域并進行結(jié)構(gòu)化四邊形網(wǎng)格劃分。縮尺模型尺寸為 12m（長）×1.8m（高），水平方向網(wǎng)格間距 0.1m，豎直方向首層網(wǎng)格高度 0.01m，以 1.05 的增長率增大，頂層網(wǎng)格尺寸為 0.2m，整個計算域網(wǎng)格總數(shù)為 6300；足尺模型計算域尺寸為 5000m（長）×500m（高），水平方向網(wǎng)格間距 10m，豎直方向首層網(wǎng)格高度 1m，以1.05 的增長率增大，頂層網(wǎng)格尺寸為 10m，總數(shù) 39500。網(wǎng)格示意如圖 2.1 所示。

第三章 多風(fēng)向下復(fù)雜地形風(fēng)場數(shù)值模擬數(shù)據(jù)建模，為解決選取地形邊界處高程不一致的問題，采用式(3-1)所示擴展方程把原始地形向外擴展成統(tǒng)一高程的平坦地形[81]，外圍平坦地形的高程取為零，擴展后的地形如圖 3.3 所示，圖 3.3（a）中淺藍色的區(qū)域是原始地形與平坦地形之間的過渡地形。然后，利用 Gambit 和 ICEM CFD 相結(jié)合進一步建立了大小為22.14km×127.16km×5km(x×y×z)的三維復(fù)雜地形計算域模型，如圖 3.4 所示，計算模型阻塞率約為 2.53%[82]，滿足通常 3%的要求。( )( )( )( )2 22 20 2000, ( , ) 2000( , )2 212000R x yz x y z x y R x y Rn ez x yex y R ( )2 20 x y R (3-1)式中，zn(x,y)為擴展地形坐標；ze(x,y)為原始地形坐標；R 是原始地形邊界點到觀測站的水平距離。

第三章 多風(fēng)向下復(fù)雜地形風(fēng)場數(shù)值模擬數(shù)據(jù)建模，為解決選取地形邊界處高程不一致的問題，采用式(3-1)所示擴展方程把原始地形向外擴展成統(tǒng)一高程的平坦地形[81]，外圍平坦地形的高程取為零，擴展后的地形如圖 3.3 所示，圖 3.3（a）中淺藍色的區(qū)域是原始地形與平坦地形之間的過渡地形。然后，利用 Gambit 和 ICEM CFD 相結(jié)合進一步建立了大小為22.14km×127.16km×5km(x×y×z)的三維復(fù)雜地形計算域模型，如圖 3.4 所示，計算模型阻塞率約為 2.53%[82]，滿足通常 3%的要求。( )( )( )( )2 22 20 2000, ( , ) 2000( , )2 212000R x yz x y z x y R x y Rn ez x yex y R ( )2 20 x y R (3-1)式中，zn(x,y)為擴展地形坐標；ze(x,y)為原始地形坐標；R 是原始地形邊界點到觀測站的水平距離。
【參考文獻】

相關(guān)期刊論文 前3條

1 胡朋;李永樂;廖海黎;;基于SST k-ω湍流模型的平衡大氣邊界層模擬[J];空氣動力學(xué)學(xué)報;2012年06期

2 肖儀清;李朝;歐進萍;宋麗莉;李秋勝;;復(fù)雜地形風(fēng)能評估的CFD方法[J];華南理工大學(xué)學(xué)報(自然科學(xué)版);2009年09期

3 吳培華;;風(fēng)電場宏觀和微觀選址技術(shù)分析[J];科技情報開發(fā)與經(jīng)濟;2006年15期

本文編號：2894297