关于风洞中用尖劈和粗糙元模拟大气边界层的讨论

尖劈和粗糙元广泛地应用于风洞试验中的大气边界层模拟，该技术成功模拟了不同地貌特征的平均风速和湍流度剖面。随着风工程研究的深入，了解尖劈和粗糙元模拟过程中的作用机理有助于准确地模拟各种大气边界层湍流功率谱和尺度特性。试验表明：尖劈利用其迎风平板的分离流产生湍流涡旋，迎风板的宽度决定了涡旋的大小和湍流脉动强度，同时迎风板阻塞比沿高度递减产生近似线性的风速剖面；粗糙元用于模拟实际地面的摩擦效应，调整平均风速和湍流度的剖面分布。遗憾的是，尖劈下宽上窄的结构特点决定了该技术模拟的湍流功率谱和积分尺度的高度变化律与实际大气边界层相反。基于对模拟机理的认识，异型尖劈上部形状有助于模拟大比例模型试验要求的湍流风场。     

大气边界层风洞流场特性的模拟

风洞中大气边界层模拟的准确度是保证风洞试验结果准确度的重要因素。本文采用了一种新型曲边梯形尖塔,并结合粗糙元等被动装置对风洞大气边界层模拟进行了研究,模拟出我国规范中的A、B、C和D类四种地貌并将结果和已有的研究结果进行比较。结果显示：所采用新型结构尖塔可以显著提高风洞大气边界层中部以上高度的湍流度,整个湍流度剖面基本覆盖了西方主要国家规范对此项指标的建议值。文中还调试出平均风速剖面不变而湍流度分布可变的流场,为开展相关的结构抗风研究奠定了基础。     

网格湍流CAARC模型风洞实验

对大气湍流边界层的真实模拟是风工程风洞模拟实验所要满足的基本条件之一，平均速度剖面，湍流度剖面，积分尺度和风谱是反映大气湍流边界层流动的四个最基本的因素。本文首先研究了不同孔隙率的均匀网格湍流场的流动特性，得到湍流度，积分尺度以及风谱的变化规律，然后在变化基中某一个因素而保持另外三个因素不变的条件下，研究了处于均匀网格湍流场中的CAARC模型风荷载响应的变化，从而确定每个因素的独立变化对模型所受风荷的影响。实验结果表明湍流度和积分尺度对结构物所受风载都有很重要的影响，在风洞大气湍流边界层模拟中应该予以充分的考虑，否则将会引起风荷载实验结果的偏差。     

海上采油平台锚泊状态和拖航状态海面上大气边界层模拟以及海面表层中海流模

在702所02风洞中完成的流花11-1海上采油平台锚泊状态和拖航状态的海面上大气边界层模拟和海面表层50米内海流模拟的风洞试验，得到了上述三种状态模拟流场的数据。每种状态的模拟流场有左、中、右、前、后五个风速和湍流度分布剖面。从相应每五个剖面的数据一致性来看，模拟流场的均匀性是好的。风速剖面与要求值之间的偏差一般不超过10%，绝大部分在6%左右并符合指数律分布。湍流度剖面也基本达到了期望的数值范围和分布规律。因此试验数据是可信的，风洞模拟是成功的。可以进一步用上述模拟流场分别进行流花11-1海上采油平台水上结构部分和水下结构部分的气功力试验研究。     

振动尖塔对风洞模拟大气湍流边界层的作用

针对大气边界层风洞模拟中常常出现的湍流度随高度衰减太快的问题，本文尝试了一种新的被动模拟方法——振动尖塔法。该方法主要采用了具有弹性底座的尖塔型旋涡发生器。尖塔群受风洞自由来流驱动，发生随机振动，向下游流场注入了强烈的低频扰动，致使试验区的湍流度、积分尺度和风谱惯性子区的宽度都明显增加，改善了风洞的模拟性能。     

正弦型来流条件下大气表面层特性的研究

导出了正弦来流条件下的大气表面层平均风速及湍流强度的计算式。在环境风洞中使用粒子图像速度仪（PIV）对正弦来流条件下的大气表面层平均风速廓线和湍流强度进行了测量。结果表明：正弦型来流条件下所模拟的大气表面层在不同高度上风速均呈正弦规律波动,测量得到平均风速与导出计算式结果一致,相当于在定常风速廓线基础上叠加一个周期与主流风速一致、振幅随高度变化的正弦波动函数。每一个相位的湍流强度沿高度的分布均与定常来流条件下的湍流强度有着相似的变化规律,且湍流强度的大小随相位变化呈现一定的波动性。     

风洞试验中风剖面的模拟及近流场特性分析

首先简单介绍了日本东京工艺大学风工程研究中心新建的开环流低速边界层风洞中风剖面模拟的试验情况.基于试验结果,采用被广泛应用的三角尖劈加上布置粗糙元的方法,成功地模拟出日本建筑学会定义的四类不同场地对应的风剖面.通过对试验数据的比较分析,就所采用的立方体粗糙元及三角尖劈对最终模拟得到的风剖面特性的影响进行了比较分析.其次,对风剖面模拟及特性判定中的几个重要问题,如三角尖劈的形状优化、风速功率谱的一致性、积分尺度的分析方法等进行了分析.最后,基于以上分析,对在边界层风洞中模拟预定的风剖面提出几点参考意见.     

砾漠大风地区铁路路堤风载荷模拟实验研究

利用大气边界层风洞对砾漠大风地区铁路路堤进行风载荷模拟实验研究。实验中较好地满足了相似准则，重现了风区现场实测所获得的大气边界层风特性。通过对模型表面平衡和脉动压力的测量以及对模型附近流场的测量，分析研究了路堤风蚀机理，为采取防风蚀的工程措施提供了科学依据，事实证明模拟实验结果是十分有效的。     

近海岸强风风场特性现场实测研究

基于近海岸100m测风塔获取的近海面地貌条件5个不同高度风速数据。以10m标准高度平均风速大于10m/s为强风标准,选取台风和季风风场强风样本,应用Bootstrap统计分析法,对强风条件下近地层平均风剖面、湍流强度剖面、湍流特征参数进行分析,探讨了台风和季风条件下这些参数的差异,并将实测结果与风荷载规范规定值进行比较,检验风载荷规范的适宜性。分析结果表明:近地边界层的平均风剖面符合指数律或对数律,台风和季风风剖面指数分别约为0.12和0.06;近地平均湍流度剖面符合指数律,台风风场各高度平均湍流度与现行规范相接近;台风风场各高度阵风因子均值较风荷载规范推算值要大,但季风风场阵风因子均值与规范推算值相接近。     

模拟中性大气边界层中污染物传输与扩散的动力相似讨论

文章从湍流雷诺数相等出发,推导出风洞中模拟中性大气边界层动力相似准则一充分发展的湍流中,运动相似的流动动力也相似。文章还讨论了模拟烟流抬升和扩散的相似准则,概述了国内外一些主要实验室应用的近似模拟技术。     

基于近海海面观测的台风黑格比风特性研究

根据在博贺海洋观测站测得的0814台风黑格比三维风速时程,首先探讨了实测数据质量的判别准则及处理方法,进而研究了平均风场特性:风剖面、风攻角、梯度风高度以及脉动风场特性:湍流强度、阵风因子、时间尺度、积分尺度、脉动风速谱等。研究结果表明:近海海面指数律风剖面指数a远小于建筑结构荷载规范推荐值;台风风场结构本身存在3°～7°正攻角;在近海海面上阵风因子均值为1.23;顺风向湍流强度平均值为0.10,三向湍流强度的比值为1∶0.80∶0.43;水平向时间尺度基本上均小于30s,竖向时间尺度均小于10s;纵向和横向积分尺度较为接近,大于竖向积分尺度;不同区域的实测风速谱与各经验风速谱均存在一定差异,与von Karman谱吻合相对较好。     

基于数值模拟的复杂地形风场风资源评估方法

与采用线性模型的WAsP软件相比,CFD方法具有可以逼真模拟复杂地形三维风场大气流动的优势,因此成为了复杂地形风场风资源评估的发展方向。为了把CFD软件包FINE/TURBO和带有壁面函数的k-ε湍流模型用于复杂地形地貌风电场的风资源评估和微观选址中去,本文以南澳岛风场作为研究对象,在中性大气条件假设下,对风场区域以30°风向为间隔进行数值模拟。研究采用不同入口边界条件对数值计算结果的影响。比对模拟结果发现,风场中的风加速与湍流强度基本上不随来流条件发生变化。基于这一规律,结合全年测风数据评估风场的风资源分布状况,建立了一套风资源评估的数值模拟及后处理方法,为工程实际提供了有力参考。     

大气边界层风速竖向相干函数实验研究

采用尖劈、格栅和粗糙元组合的被动湍流发生装置在TJ-2风洞中模拟了大气边界层流场,测量了模拟流场的平均风速剖面,湍流度剖面,湍流积分尺度和脉动风速功率谱等风场特性参数,重点分析了风速的竖向空间相干曲线。针对风速竖向空间相干曲线存在低频“掉头”的现象,给出了修正的指数衰减函数来进行拟合,完善了用传统的简化指数衰减函数来进行拟合时在低频处的不足,结果表明：笔者给出的风速竖向空间相干函数拟合效果更好。     

大型风力机三维空气动力学数值模拟

采用数值模拟的方法,对三种风力机叶片的空气动力学性能进行研究.计算得到了旋转功率随着来流速度的变化曲线,并将所得结果与基于动量叶素理论的工程设计方法结果、风洞实验结果和风场实测结果进行对比.计算结果体现了CFD方法解决这种问题的有效性.所用的数值模拟方法可以广泛地应用到风力机设计和气动性能评价中,所得结果可作为叶片动态特性及气弹稳定性分析的载荷而被应用于风力机性能和可靠性的评估当中.     

守恒型可压缩一维湍流方法及其在超声速标量混合层中的应用

一维湍流（ODT）方法是一种能在一维计算域上遵循湍流基本物理规律的湍流建模方法。通过结合确定性和随机性求解方法,能够在一维计算域上准确捕捉到湍流统计规律,且降维建模可显著减小计算量。ODT方法主要被广泛用于不可压湍流和湍流燃烧研究,若要将其拓展用于模拟高速可压缩湍流,需对建模方法进行深度改进。相比于不可压ODT方法,本文基于欧拉参考框架,针对可压缩湍流的特性,将因变量由原始变量改为有利于减小可压缩湍流模拟误差的守恒通量,并加入了组分求解模块。对确定性和随机性求解模块均进行了相应的深度改进,开发出具有标量混合模拟功能的守恒型可压缩ODT方法。在确定性模块中改为求解以守恒通量为变量的一维截断控制方程,在随机性模块中构造一维涡时,将三联映射的作用对象也相应地由原始变量改为守恒通量,并选用了可保证变密度情况下动量守恒的双核变换。通过模拟空间发展超声速平面湍流混合层并将自相似阶段结果与实验结果比对,验证该方法对可压缩剪切湍流场中标量混合的捕捉精度。守恒型可压缩ODT方法模拟得到的速度场和组分场的平均剖面和脉动强度分布与实验结果准确吻合,精度明显优于传统的耦合梯度扩散亚格子模型的大涡模拟方法（LES-GRAD.DIFF.）以及耦合线性涡（LEM）亚格子模型的大涡模拟方法（LES-LEM）,且该方法的降维处理使其在降低计算成本方面具有显著优势。     

飓风古斯塔夫(2008)过境过程风特性研究

对飓风Gustavo(2008)登陆美国路易斯安那州的全过程进行了风雨特性实测,共获得高度分别为2.5m、4m、5m、7m、10m处约48h的风速、风向、气压、温度、湿度、雨量数据,将采样数据划分为飓风过境前期、中期、后期三个典型区间;从时域角度分析了10min子样本的阵风因子、紊流强度、紊流积分尺度、相关性、分布特性,从频域角度对各子样本水平相脉动风谱进行了拟合平均;从时频域角度对三个典型区间的Hilbert时频谱进行计算和观测。研究发现:阵风因子和紊流强度在飓风过境之前大于飓风过境之后,紊流积分尺度反之,阵风因子均值为1.67,阵风因子随紊流度的增大呈指数率增长;风速概率密度函数服从高斯分布,水平向脉动风谱的拟合平均值呈现低频偏高和高频偏低于规范风谱的现象;三个典型区间内的脉动风时频谱曲线显示,飓风过境前后的脉动风均为非线性和非平稳过程。