山体坡度对下击暴流风剖面的影响研究.pdf

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1、山体坡度对下击暴流风剖面的影响研究张旭，尹旭，柳广义，吉柏锋（武汉理工大学，湖北武汉４３００００）摘要：在大气边界层内，地形特征对风速的大小、方向和分地形对风场的影响。目前，国内外学者对山地地形近地面风［５］布有着重要的影响。为了更好地探究地形特征对于下击暴速特征已经做了大量研究。Ｙａｍａｇｕｃｈｉ等制作了日本北流风剖面特性的影响，本文选择了坡度为３０°、４５°、６０°的三部某真实山地模型进行风洞试验，并使用ＣＦＤ手段进行了［６］种余弦山体地形进行数值模拟，进而得到风速分布图以及不数值模拟。李朝使用流体力学软件ＦＬＵＥＮＴ对我国东南［７］同位置的风剖面情况。模拟结

2、果分析表明：下击暴流在从山某海岛的风场进行了数值模拟。瞿伟廉利用ＣＦＤ手段模脚到山顶的过程中都会形成明显的加速效应，并在山顶附速拟研究了下击暴流风冲击地面前后风场细部结构。吉柏［８］度达到最大值。从迎风面来看，不同坡度的最大速度值比较锋研究了下击暴流出流参数对风场的影响。接近，坡度小的会略大于坡度大的。由此可见，国内外学者在研究山体对近地层风场影响方关键词：山地地形；下击暴流；风剖面；风速；风场特性；山体面做了大量积极有效工作，且工作基本针对大气边界层风，坡度；数值模拟且对下击暴流这种不同于传统的边界层风场的研究刚刚起中图分类号：Ｐ４２５．５文献标志码：Ｂ步。此外

3、，我国有约３３％的国土面积为山地地形。因此，研文章编号：１６７２－４０１１（２０１７）０５－００８５－０２究山地地形下下击暴流风场特性不仅具有重要的理论意义，ＤＯＩ：１０畅３９６９／ｊ畅ｉｓｓｎ畅１６７２－４０１１畅２０１７畅０５畅００４２从工程结构抗下击暴流的角度来看，同样具有现实意义。0前言1数值模拟下击暴流是一种在地面或近地面大气边界层内引发灾1．1计算流体动力学原理［１］难性强风的强下沉气流。下击暴流作为雷暴强风的一种流体运动所遵循的规律是三大守恒定律，即质量守恒定产生形式，这一天气现象在世界各地发生频率都很高。下击律、动量守恒定律、能量守恒定律，质量守恒

4、定律数学表达式暴流按照其水平影响范围可分为微下击暴流和宏下击暴流即为连续方程。对于不可压缩的流体流动，密度为［２］［３］两种。Ｈｊｅｌｍｆｅｌｔ研究表明，下击暴流的初始出流直径为常数，其连续方程表达式如下：６００～１７００ｍ，云底高度为２１００～４１００ｍ，风速范围为６～抄u＋抄v＋抄w＝０（１）抄x抄y抄z２２ｍ／ｓ。下击暴流的水平影响范围超过４ｋｍ的为宏下击暴能量守恒定律是包含有热交换的流动系统必须满足的流，水平影响范围等于或小于４ｋｍ的被定义为微下击暴流。基本定律。以温度Ｔ为变量的能量守恒方程：已有研究显示，作为下击暴流中尺度较小的微下击暴流在雷［４］抄（ρ

5、T）k暴天气时候，其发生概率为６０％～７０％。在大气边界层＋ｄｉｖ（ρuT）＝ｄｉｖgradT＋SＴ（２）抄tcｐ内，地形特征对风速的大小、方向和分布有着重要的影响。式中，ｋ是流体的传热系数；SＴ是粘性耗散项。在地形状况中，山地地形很具有代表性，其既存在前阶型和动量守恒定律数学表达式是运动方程。通过对流动空后阶型，也有单体和连续山体，在连续山体之间还存在谷地间中流体微元的受力情况和运动情况的分析，可导出ｘ，ｙ，ｚ等地形，因此世界各国普遍采用山地地形为代表，以此描述三个方向运动方程的表达式：抄（ρu）抄（ρuu）抄（ρuv）抄（ρuw）抄p抄τｘｘ抄τｙｘ抄τｚｘ＋

6、＋＋＝－＋＋＋＋Fｘ抄t抄x抄y抄z抄x抄x抄y抄z抄（ρv）抄（ρvu）抄（ρvv）抄（ρvw）抄p抄τｘｙ抄τｙｙ抄τｚｙ＋＋＋＝－＋＋＋＋F（３）ｙ抄t抄x抄y抄z抄y抄x抄y抄z抄（ρw）抄（ρwu）抄（ρwv）抄（ρww）抄p抄τｘｚ抄τｙｚ抄τｚｚ＋＋＋＝－＋＋＋＋Fｚ抄t抄x抄y抄z抄z抄x抄y抄z式中，ｐ是流体微元体上的压力；τｉｊ（ｉ，ｊ＝ｘ，ｙ，ｚ）是分子1．2计算模型粘性作用在微元体表面上的粘性应力分量；Ｆｉ是微元体的质本文采用下击暴流模拟中常用的冲击射流模型为初始量力。风场模型，如图１所示。初始条件为：喷射初速为Ｖｊｅｔ＝２９ｍ／ｓ，喷射初

7、始直径Ｄｊｅｔ＝６００ｍ。几何缩尺为１∶３０００，速度［９］缩尺采为１∶３。雷诺数定义为Ｒｅ＝ＶｊｅｔｘＤｊｅｔ／υ，Ｖｊｅｔｘ收稿日期：２０１７－０２－２７为喷射初速，Ｄｊｅｔ为喷射初始直径，υ为空气运动粘性系数。作者简介：张旭（１９９２－），男，在读硕士研究生，主要研究方向：结构计算域为１０Ｘ６Ｄｊｅｔ。风工程。·８５·一稳定值。当坡度为３０°时风速最大，坡度为６０°时风速最小，坡度为４５°时的最大风速介于两者之间。风速的最大值随着山体坡度的增大而减小。综合对比以上结果发现，山体坡度越小，下击暴流风场所能达到的风速最大值越大，但并不成正比关系。山体坡度由３０°

8、增加到６０