基于理想三维山地的下击暴流风场特性及其数理模型研究

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下击暴流冲击地面之后,气流沿地面进行传播扩散过程中,会产生破坏力极强的灾害性强风,造成包括建筑物和输电线塔等工程结构的严重风灾损失。同时,下击暴流在我国西南地区等山地地区中频发,由于山地地形效应,其在山顶位置出现风加速效应,进一步加剧了山地下击暴流的致灾性。目前对边界层风场的山地效应研究较为深入和系统,形成了用于工程结构设计的风场模型,但缺乏下击暴流山地加速比模型。因此,亟需开展考虑地形效应的下击暴流风场特性及其模型化研究。本文采用基于冲击射流及壁面射流模型的物理试验、数值模拟及解析方法,对理想三维山地风场特性进行了系统深入的研究,建立了用于工程结构设计的下击暴流山地加速比模型。本文开展的主要研究工作如下:(1)通过分析壁面射流平地的水平风速、最大速度衰减、湍流流场等特征,说明了壁面射流下充分发展的区域。将不同山体模型放置在充分发展区域,分析了壁面射流的山地风场特性及随山体参数的变化,试验结果同冲击射流风场具有相似性。选取了最大风速值相对应的竖向高度,建立冲击射流和壁面射流的联系,对比了两类模型下山地风场,表明冲击射流模型和壁面射流模型数据具有一致性。(2)选取了不同湍流模型,比较了平地风场和山地风场的瞬态流动特征,揭示了下击暴流下山地风场湍流流场结构的演变机理。与冲击射流试验结果相对比,进行定量和定性分析,验证了多保真度湍流模型的有效性,LES(Large eddy simulation,LES)模型和Realizable k-ε模型准确性较高。采用POD(Proper orthogonal decomposition,本征正交分解)定量分析了山地尾流区域的绕流特征,第一阶模态主导了其加速效应。最后,选取了多个坡度和径向位置的山体模型,开展系统性和规律性研究。(3)基于建立的下击暴流平地风场的模型和山地风场模型,提出了推导山地风速的方法,为建筑结构设计提供参考。依据平地风场的形状函数、最大风速值变化及边界层非线性发展,结合试验数据,再现了下击暴流全流域平地风场。依据山地加速比随坡度及径向位置及竖向高度的变化,构建下击暴流山地加速比模型,并进行了验证,在迎风面区域预测值同模拟值吻合较好,在背风面区域仍需要进一步改进。将平地风场模型、山地加速比模型结合起来,提出了由山体模型参数推导山地风速的方法。
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