【摘要】：龍卷風是一種極端天氣,具有持續(xù)時間短、風力大、破壞力強和難以預測等特點。在地球上除南極洲外,其它大洲都有龍卷風發(fā)生,北美和歐洲更是龍卷風的多發(fā)地。全球每年因龍卷風造成的經濟損失和人員傷亡都十分巨大。雖然人們通過數值模擬、實驗模擬和現場測量等方法進行了大量研究,但對于龍卷風的生成機理、結構特點和破壞方式還沒有統(tǒng)一的定論。近年來,人們在研究龍卷風時發(fā)現了其在旋風分離器和航空發(fā)動機等領域的實際應用價值,另外還有研究者提出了利用龍卷風發(fā)電的設想。因此,無論是防范龍卷風造成災害還是利用龍卷風產生價值,都需要對龍卷風進行系統(tǒng)而全面的研究。這對于社會經濟發(fā)展和人類生存環(huán)境的保護都有重要的意義。本文采用數值模擬的方法來研究龍卷風的內部結構和速度分布,分析各種因素對龍卷風風場造成的影響,設計并制造了龍卷風發(fā)生器。主要研究內容如下:對已有的龍卷風發(fā)生裝置進行簡化,建立了數值模擬的物理模型,包括入流區(qū)、對流區(qū)和出流區(qū)三個組成部分。使用商用軟件FLUENT來進行數值模擬,并將數值模擬結果與實際測量結果進行了比較,驗證了本文數值模擬方法的準確性。研究了龍卷風風場的內部結構和流場特性,發(fā)現了不同結構轉換的臨界渦流比,得到了風場的速度分布和核心半徑的變化規(guī)律。由于現實中龍卷風是移動的,并且經常會經過城鎮(zhèn),因此分析了平移、粗糙表面對龍卷風風場的影響。在本次數值模擬中,入口風速和模型尺寸是可變因素,所以研究了其對龍卷風風場的影響。根據數值模擬結果,提出并設計了一種新的龍卷風發(fā)生裝置,通過實驗測量數據與數值模擬結果進行對比,驗證了該裝置可以產生近似龍卷風的風場。本文采用計算流體力學方法,研究結果為實驗研究龍卷風提供了新的發(fā)生裝置,為龍卷風在實際中應用奠定了基礎。
【圖文】：

a）水龍卷 b) 火龍卷c) 多旋渦龍卷 d) 陸龍卷圖1-1 龍卷風分類在孟加拉國，每年近乎 200 人直接或間接喪生于龍卷風。加拿大每年因龍卷風造成的經濟損失達數千萬美元。據相關部門統(tǒng)計，世界上龍卷風出現最多的國家是美國，平均每年近千個龍卷風襲擊美國，每起龍卷風造成上千人傷亡。美國中西部和南部由于其獨特的地理條件和氣象條件成為美國發(fā)生龍卷風最多的區(qū)域。發(fā)生于 1925 年 3 月 18 日，越過了美國三個州的 三州大龍卷 導致 695 人死亡，是目前人類歷史上有記載的傷亡最慘重的龍卷風。我國在 1949 年至 1990 年間，有統(tǒng)計記載的龍卷風發(fā)生 97 次，，分布省份包括河南、江西、廣東、廣西、黑龍江、上海等 20 余個省及直轄市

研究者制作了幾種實驗室人造龍卷風生成裝置，如圖1-2 所示。Tari[7]等利用小型龍卷風產生裝置，如圖 1-2a)，研究了渦流比從0.08 到 1 之間的龍卷風風場的動力特征，認為龍卷風的切向速度和徑向速度以及核心半徑隨著渦流比的增加而增加，最大切向速度和徑向速度在距離龍卷風和地面相互作用的不遠處。在小渦流比下，存在層流核心，隨著渦流比
【學位授予單位】：哈爾濱工業(yè)大學
【學位級別】：碩士
【學位授予年份】：2015
【分類號】：P445

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本文編號：2658944