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。     

风能模型的发展及CFD在风资源开发利用中的应用

风能科学的发展一个很重要的方面就是从大气运动到风力发电机尺度流场的不同时空尺度运动的研究。随着计算能力的发展，计算流体力学（computational fluid dynamics, CFD）已经广泛应用于风能开发领域，使得风能模型从应用于较平坦地形的线性模型，发展到应用于复杂地形、耦合天气过程，考虑风力发电机排布、尾流效应的模型链。本文首先介绍了目前风能评估、微观选址、风功率预测模型的发展，之后详细介绍了在这些风能模型中CFD方法的改进，主要集中在中尺度到微尺度的“降尺度”、尾流模拟和复杂地形风场模拟3个方面，最后对风能模型发展过程中CFD所面临的挑战进行了展望。     

考虑粗糙地表的近地层风场仿真模拟研究及误差分析

基于Fluent流体计算平台,使用自编UDF程序实现根据地表粗糙度长度添加覆盖植被阻力源项来模拟精细化地表粗糙度,以Askervein山为例建立数值模型,选择了不同的湍流模型进行风场模拟,研究了湍流模型对复杂地形风场CFD模拟的影响,并与实测数据对比分析了湍流模型的适用性,进一步探讨了均一地表粗糙度的模拟效果。研究表明:相比于其他几种湍流模型,LES模拟结果与实测值吻合最好,更适用于复杂地形的风场模拟。地表粗糙度长度对风场的影响在迎风面和背风面处有较大的差异性,合理设置单一地表粗糙度能有效减小模拟误差。     

实测下击暴流作用下大跨斜拉桥抖振响应分析

为研究大跨斜拉桥在下击暴流作用下的抖振响应,以赤石大桥桥址处实测下击暴流风时程数据为基础,采用小波变换法提取下击暴流时变平均风速,得到随时间变化的调制函数,以Kaimal谱为目标谱,采用谐波叠加法模拟桥址区脉动风速并加以调制,实现了桥址区下击暴流风时程模拟。在此基础上,分别进行下击暴流风场和大气边界层风场作用下的大跨度斜拉桥施工状态静风响应和非线性时域抖振响应计算。结果表明:模拟下击暴流风速时程与实测下击暴流风速时程吻合较好。下击暴流风场模拟脉动风时变功率谱的幅值明显大于大气边界层B类风场模拟脉动风时变功率谱幅值。当桥面高度处下击暴流风与大气边界层风速相同时,考虑下击暴流时变平均风效应计算得到的桥梁主梁梁端静风效应的最大值,约为采用10min常值平均风计算的桥梁主梁梁端静风效应最大值的1.20倍左右;下击暴流风作用下桥梁主梁梁端、桥塔塔顶抖振响应均方根(RMS)值分别比大气边界层风场作用下的计算值大,最大比值约为2.8。     

华南地区台风全局化结构及风场特征实测研究

基于探空气球、雷达风廓线仪等设备长期观测数据,对影响华南地区热带气旋的全局化结构及风场特征进行了实测研究.以典型台风为例,考察了系统水平及垂直主结构特征,揭示了台风双眼壁结构、眼壁置换现象以及登陆后结构的轴非对称变化特征.提出了台风气压场水平轴非对称模型和垂直剖线模型,分析了台风气压场两关键参数(最大风速半径及Holland-B)数值分布特征及其与其他参数间的内在关系.采用复合分析技术,对不同来流状况下台风边界层风场特征进行研究,考察了风速剖线低空急流和风向随高度偏转的特征及其随径向距离和来流地貌的变化规律,建立了以低空急流为特征的台风垂直剖线经验模型,为精确化评估高层建筑风荷载提供数据和技术支撑.相关研究成果有助于深化对华南地区热带气旋全局化结构及风场特征的认识,并为合理评估该地区台风风灾害及构筑物台风风效应提供参考.     

激光测风雷达在风场观测领域的应用及展望

多普勒激光测风雷达因具有高测量精度、高时空分辨率等优势,在晴空天气的风场观测中发挥着重要作用.本文综述了激光测风雷达技术的应用价值以及国内外测风雷达技术与设备研究现状.针对激光测风雷达所存在的问题进行分析,提出其需进一步研究的方向.对激光测风雷达在风场的应用、雷达中尺度数据与CFD?(Computational?Fluid Dynamics)结合应用进行分析总结,重点对某沿海地区风场进行多维度分析.分析结果得出:应用激光测风雷达能提高对风场数据获取水平,为进一步获取更为精准的风场信息,可将激光测风雷达观测的数据和CFD数值模拟等进行综合分析.最后对激光测风雷达设备在技术参数等方面提出展望.     

球壳型屋盖在冲击风作用下的抗风设计参数及CFD分析

雷暴冲击风具有和大气边界层显著不同的风场特性。为与抗风设计习惯一致,提出了与大气边界层风场类似的冲击风水平风荷载下静力风荷载表达式,并给出了相应的风压高度变化系数和体型系数的计算方法。以球壳型大跨屋面为具体研究对象,采用CFD数值模拟方法,研究其在冲击风作用下随结构参数和冲击风参数改变的冲击风体型系数变化规律,并将结果与大气边界层风洞实验中的结果进行比较。最后还给出了球壳屋面位于冲击风正下方时,屋面体型系数及风压高度变化系数的取值。     

台风"山竹"影响下的城市风场数值模拟研究

基于中尺度气象模式(weather?research?and?forecasting,WRF),对2018年第1822号超强台风"山竹"影响期间深圳气象观测梯度塔附近城市风场开展了数值模拟研究,并结合气象观测塔的现场实测数据进行比较验证.采用移动嵌套网格模拟得到了台风"山竹"的演化过程;耦合城市冠层模型(urban?canopy?model,UCM)完成了城市台风风场的多尺度精细化模拟;分析了城市冠层模型对WRF模式城市风场模拟精度的影响.基于UCM模型和高精度的下垫面数据,准确模拟出了台风影响下的风场空间分布情况;数值模拟得到的深圳气象梯度塔位置不同高度处台风风速结果与现场实测数据吻合较好,表明耦合UCM模型的WRF模拟能够较为精确地捕捉到台风过境时的城市风场特性.与未耦合UCM模型的WRF模拟结果相比,UCM模型的采用进一步提高了城市台风风场近地面风速的模拟精度.     

二维非对称喷管数值模拟与验证

采用Fluent软件针对二维非对称喷管进行数值模拟,考察了其中几种常用湍流模型及网格密度对模拟精度的影响,并将计算结果与NASA公布的实验数据进行比较,找出了精度较高、求解快捷的模拟方案,结果表明FLUENT软件可以应用于带高超声速外流的非对称超声速喷管内外流场的数值计算。      

冲击风作用下大跨屋盖多模态随机风致响应研究

雷暴冲击风是一种近地面短时产生的瞬态强风,它与传统的边界层风场特征具有明显的差别,冲击风将会引起屋盖的强烈振动,甚至发生破坏.本文根据混合随机模型,详细研究了冲击风风场的数值模拟方法.应用Wood竖直风剖面方程与Holmes经验模型模拟平均风场,使用稳态高斯随机过程模拟脉动风场,模拟的风场与实际的雷暴冲击风较为一致.结合多阶模态加速度法和等效风荷载原理,详细推导了大跨屋盖随机风致响应的计算方法.结合边界层风洞试验,比较冲击风产生的表面风压特性,计算得到屋盖冲击风致动力响应时程,并研究了冲击风作用下大跨屋盖荷载风效应系数和位移风效应系数的分布特点.研究结果可作为评估大跨屋盖冲击风致响应的一种参考.     

紧邻高陡山体桥址区风特性数值模拟研究

以紧邻高陡山体的大跨度悬索桥为工程背景,应用CFD商业软件FLUENT对桥址区复杂地形地貌进行了区域地形风场数值模拟研究,通过多工况的对比分析,探讨了不同来流情况下高陡山体对主梁平均风速、风攻角以及风剖面的影响,讨论了桥址区的峡谷风效应.研究结果表明,随来流方向的不同,主梁平均风速、风攻角及风剖面形状在高陡山体附近变化的规律以及受高陡山体影响的范围不同,桥址处未形成明显的峡谷风效应.研究结论为该桥的进一步抗风设计提供依据.     

特殊机场PBN运行的扰动风场估计及关联分析

高原特殊机场的民航PBN运行受到地形复杂、导航干扰、程序设计缺陷及大气扰动等多重复杂因素的影响.大气扰动是导致PBN运行的飞行技术误差乃至飞行事故的重要诱因.分析了扰动风对飞行的影响机理,建立了气流系下含扰动风动力学模型.基于QAR数据的解析冗余,计算获得实时扰动风场.在此基础上,运用灰色关联分析方法,分析扰动风对若干飞行状态的影响.灰色关联分析结果既是对扰动风影响机理的验证,也可进一步用于QAR数据分析,从而深入研究扰动风对PBN运行的飞行技术误差的影响.     

DLR-F4翼身组合体的阻力计算

为了考察自行研发的CFD软件的计算能力和阻力计算精度，本文采用LU—SGS方法、MUSCL差分格式和Baldwin—Lomax代数湍流模型，数值模拟了AIAA阻力计算工作室提供的DLR—F4翼身组合体的绕流流场，综合分析了easel和case2的气动力的计算结果，并与NASA Christopher L．Rumsey采用CFL3D6．0和AFRL/VAAC Don W．Kinsey采用Cobalt60提供的两组计算结果以及AGARD提供的两种不同风洞的测力试验结果作了比较。计算结果表明，本文计算精度与国外CFD软件相当。为了提高激波，边界层干扰的模拟精度，今后要重点加强湍流模型的应用研究。     

大气探测新系统-风廓线仪的设备原理与建设要求

作为新型的大气探测系统风廓线仪在国外有关气象部门已经得到了比较广泛的应用。然而在我国的民航气象部门，风廓线仪的建设和使用可以说还是起步阶段，因此对于一部分人来说风廓线仪还是比较陌生的设备。文章通过对设备分类、设备基本的探测原理、设备基本的工作方式和建设等方面的介绍，使大家进一步了解风廓线仪是如何工作的，在建设过程中需要注意的地方。根据有关使用经验表明，风廓线仪对提高短时和短期天气预报能力有明显的帮助；同时它也是诸如风切变等破坏力较强的灾害天气有效的监测设备。     

高升力标模确认计算研究

针对高升力标模NASA Trapwing全展襟翼构型展开确认计算研究。采用N-S方法,预测高升力模型的流动状态,分析高升力的流动现象及机理,评估自主研发的WiseManPlus软件及WoF90软件预测高升力流动的能力。通过对网格生成、计算策略及数据分析等各个环节进行分析,制定出一套适用于高升力模型工程应用的CFD计算方法,得到与实验值吻合较好的计算结果。结果表明,目前所采用的结构网格求解器WiseManPlus软件及混合网格求解器WoF90软件计算精度相当,适用于模拟高升力流动。     

水泥工厂窑尾塔架风荷载风洞试验研究

为获得窑尾塔架在实际风场下的真实风荷载，本文通过风洞实验对水泥厂窑尾塔架在大气边界层流场中的风荷载进行了研究，并详细介绍了风洞试验中的风场模拟、模型设计、测量方法和数据处理方法。试验结果合理可靠。本研究为实际窑尾塔架的结构设计提供了更真实的风载系数并为水泥厂窑尾塔架的优化设计，减少工程造价提供了详实的依据。     

涡轮叶栅损失生成和输运的数值模拟

采用CFD软件CFX-TASCflow对一低速涡轮平面叶栅（Durham叶栅）流场进行了数值模拟，研究了叶栅损失生成和输运规律。计算表明，现有的CFD软件己能较准确地计算叶栅损失，转捩k-ω模型计算的总压损失系数比没有转捩模型的计算结果高2％。     

均匀各向同性大气湍流对声爆传播特性的影响

基于离散Fourier模态有限和生成的随机大气湍流场，采用修正波形参数方法，开展了均匀各向同性大气湍流对典型超声速客机声爆传播特性的影响分析。计算采用的超声速客机模型为自行生成的简化超声速公务机模型。首先，应用航空工业空气动力研究院自主研制的CFD软件ARI_Overset在三维空间求解Navier-Stokes方程，得到作为声爆远场传播初始值的近场空间压力分布；其次，基于Von Karman能量谱，采用离散Fourier模态有限和形式生成随机均匀各向同性大气湍流场；最后，采用修正波形参数方法模拟了声爆信号在随机速度湍流场中的传播过程。数值结果表明：各向同性大气湍流对于地面声爆特征有重要影响。与无湍流状态相比，均匀各向同性大气湍流使得地面声爆特征增强的概率约为55%，使得地面声爆特征减弱的概率约为45%，故总体而言大气湍流效应更倾向于增强地面声爆特征；均匀各向同性大气湍流对于声爆传播路径影响相对较小，但是这一变化仍会导致地面信号接收点的不确定性。     

无人机穿越变化风场起飞特性仿真研究

引入和定义了必要的风场特征参数和工程化模型，建立了计及任意变化风场的无人机运动方程，以某型无人机为例，进行了数值仿真计算，并给出了切变风场和微下冲气流同无风情况起飞特性仿真时间历程比较曲线，同时讨论了风梯度的气动效应和对无人机起飞过程的影响。     

大气密度模型用于近地卫星定轨预报的比较

大气阻力是低轨卫星主要的摄动力,与高层大气密度的变化密切相关。由于目前对高层大气密度变化的机制尚未完全掌握,所使用的各种大气密度模型多属于半经验公式。在这些模型中并没有一种在任何情况下都是最好的,因此,对于特定轨道选择合适的大气密度模型对提高定轨预报的精度是非常重要的。通过对资源2号卫星实测GPS数据的分析计算,比较了常用的8种大气密度模型的定轨预报精度,探讨了预报24h应采用的定轨数据长度和大气密度模型。