平地和坡地地形下移动下击暴流风场特性研究

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下击暴流为雷暴天气中急速下沉气流猛烈冲击地面并向四周扩散而引起的近地面短时强风的灾害现象。下击暴流发生频度高且破坏性强,引起了国内外学者的广泛关注。近年来,现场实测、理论研究、风洞试验和数值模拟等手段被应用到下击暴流的一系列研究中。已有研究主要是针对静止下击暴流,而实际下击暴流往往伴随有风暴移动,其风场特性和静止风暴明显不同。而且,类似于大气边界层风场,地形对下击暴流风场也具有显著的放大作用。为了深入研究考虑平地和坡地地形影响的移动下击暴流的风场特性和发展规律,完善相关风剖面的研究,并为后续的结构抗风设计提供一定的参考依据,论文采用了风洞试验和大涡模拟两种方法对移动下击暴流的风场特性进行研究,主要内容包括:(1)在风洞试验室中采用可移动的冲击射流装置,模拟静止和移动下击暴流作用下平地和坡地地形的风场特性。结果表明:喷口直径对归一化后的冲击射流风场影响较小,喷口移动速度对曲线峰值的放大作用比较明显,射流速度对峰值的影响不大。不同坡度的檐口位置对风速均有加速效应,而且坡度越大,加速效应越明显。(2)采用大涡方法对移动下击暴流进行三维缩尺数值模拟,验证了数值模拟的可靠性。在此基础上,补充了多个模拟工况来研究平地地形下移动下击暴流的风场特性。结果表明:移动下击暴流冲击地面后风速方向发生明显转变,移动速度对风暴前方的水平风速具有显著的增大效应,而对风暴后方的风速则有一定程度的削减。曲线峰值所在位置和移动速度的大小成正比,大致满足1:2:3的比例关系,曲线下降段所持续的时间和移动速度呈反比,基本满足3:2:1的比例关系,而射流速度的比例关系则刚好相反。风速时程曲线的峰值大小和偏心距离有关,峰值大小随测点偏移距离的增大而逐渐减小。(3)采用大涡模拟对坡地地形的风场特性进行研究。结果表明:坡地的横向风剖面在-2Djet2Djet范围内,极值风速可达62m/s,此变化范围可能对横向布置的输电塔线体系和多跨厂房产生严重破坏,应予以考虑。坡地在檐口位置处风速达到最大值,正负峰值大小相差约25%,风速时程曲线的峰值大小与坡度和偏心距离有关,坡度和偏心距离越大,同一位置处的峰值越小。
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