發(fā)布時(shí)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(jìn)行基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)和風(fēng)資源開發(fā)等活動(dòng)成為經(jīng)濟(jì)社會(huì)發(fā)展的必然要求。計(jì)算流體動(dòng)力學(xué)(CFD)數(shù)值模擬是掌握山地地形風(fēng)場(chǎng)特性的有效手段,相較于現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)和風(fēng)洞試驗(yàn)具有直觀、高效、周期短、費(fèi)用低等優(yōu)勢(shì),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(chǎng)特性比簡(jiǎn)單山體的風(fēng)場(chǎng)特性復(fù)雜程度更高,在山地地形區(qū)域進(jìn)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(jìn)行設(shè)計(jì)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(huì)的經(jīng)濟(jì)建設(shè),充分了解復(fù)雜地形的風(fēng)場(chǎng)特性,進(jìn)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(kuò)散研究等提供更加準(zhǔn)確有效的指導(dǎo),有必要針對(duì)復(fù)雜地形風(fēng)場(chǎng)的流動(dòng)特性進(jìn)行數(shù)值模擬研究。本文首先基于標(biāo)準(zhǔn)k-ε湍流模型,進(jìn)行了平衡大氣邊界層研究,通過在湍動(dòng)能和耗散率的輸運(yùn)方程中添加源項(xiàng)以及對(duì)底部和頂部邊界施加剪應(yīng)力的方法實(shí)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(cè)站周圍復(fù)雜地形為研究對(duì)象,建立高精度的復(fù)雜地形數(shù)字模型并進(jìn)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(chǎng)的數(shù)值模擬,將模擬得到的SHW處的風(fēng)場(chǎng)數(shù)據(jù)與風(fēng)洞試驗(yàn)和現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行對(duì)比,驗(yàn)證本文CFD數(shù)值模擬方法的有效性和可靠性。隨后對(duì)復(fù)雜地形邊界的擴(kuò)展方式以及復(fù)雜地形范圍和計(jì)算域尺寸進(jìn)行了進(jìn)一步的討論,選用了不同的復(fù)雜地形邊界擴(kuò)展方式對(duì)數(shù)字地形邊界進(jìn)行平滑過渡,對(duì)比分析了不同擴(kuò)展方式下的復(fù)雜地形流場(chǎng)特性,并探討了復(fù)雜地形范圍大小和計(jì)算域尺寸的設(shè)置對(duì)復(fù)雜地形流場(chǎng)特性的影響,為復(fù)雜地形風(fēng)場(chǎng)數(shù)值模擬中的地形邊界處理以及地形范圍選取和計(jì)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(chǎng)的數(shù)值模擬中施加更加符合實(shí)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(jì)算中軟硬件水平的影響,提高復(fù)雜地形風(fēng)場(chǎng)數(shù)值模擬的效率和準(zhǔn)確度,基于IMP法將復(fù)雜地形風(fēng)場(chǎng)模擬的計(jì)算域在來流方向上分為上下兩級(jí),進(jìn)行數(shù)值模擬,利用FLUENT將上一級(jí)復(fù)雜地形計(jì)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(jí)計(jì)算域的入口邊界條件來實(shí)現(xiàn)復(fù)雜地形風(fēng)場(chǎng)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(jí)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(duì)比和驗(yàn)證這些措施的適用性和有效性。2.5 數(shù)值模擬針對(duì)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(biāo)準(zhǔn) k- 模型和標(biāo)準(zhǔn)壁面函數(shù)；工況二：在工況一的基礎(chǔ)上添加源項(xiàng)修正；工況三：在工況一的基礎(chǔ)上對(duì)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(xiàng)并對(duì)底面和頂面邊界施加剪應(yīng)力修正。2.5.1 數(shù)值建模計(jì)算域模型采用無障礙物的二維矩形空流場(chǎng)，利用 ICEM CFD 軟件建立計(jì)算域并進(jìn)行結(jié)構(gòu)化四邊形網(wǎng)格劃分。縮尺模型尺寸為 12m（長(zhǎng)）×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(zhǎng)率增大，頂層網(wǎng)格尺寸為 0.2m，整個(gè)計(jì)算域網(wǎng)格總數(shù)為 6300；足尺模型計(jì)算域尺寸為 5000m（長(zhǎng)）×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(zhǎng)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(chǎng)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(kuò)展方程把原始地形向外擴(kuò)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(kuò)展后的地形如圖 3.3 所示，圖 3.3（a）中淺藍(lán)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(jìn)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(jì)算域模型，如圖 3.4 所示，計(jì)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(kuò)展地形坐標(biāo)；ze(x,y)為原始地形坐標(biāo)；R 是原始地形邊界點(diǎn)到觀測(cè)站的水平距離。

第三章 多風(fēng)向下復(fù)雜地形風(fēng)場(chǎng)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(kuò)展方程把原始地形向外擴(kuò)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(kuò)展后的地形如圖 3.3 所示，圖 3.3（a）中淺藍(lán)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(jìn)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(jì)算域模型，如圖 3.4 所示，計(jì)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(kuò)展地形坐標(biāo)；ze(x,y)為原始地形坐標(biāo)；R 是原始地形邊界點(diǎn)到觀測(cè)站的水平距離。
【參考文獻(xiàn)】

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(dòng)力學(xué)學(xué)報(bào);2012年06期

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

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

本文編號(hào)：2894297