考虑复杂风环境影响的山地地形CFD数值模拟
发布时间：2020-11-22 06:46
随着“一带一路”倡议和“十三五”规划的提出,在复杂地形区域进行基础设施建设和风资源开发等活动成为经济社会发展的必然要求。计算流体动力学(CFD)数值模拟是掌握山地地形风场特性的有效手段,相较于现场实测和风洞试验具有直观、高效、周期短、费用低等优势,近年来受到越来越多研究者和工程人员的重视。由于山地地形的风场特性比简单山体的风场特性复杂程度更高,在山地地形区域进行开发建设仅仅依靠建筑结构荷载规范的规定进行设计是难以满足当前开发建设需求的。因此,为了更好的服务于社会的经济建设,充分了解复杂地形的风场特性,进一步完善当前荷载规范,为风资源开发、城市风环境研究、大气污染物扩散研究等提供更加准确有效的指导,有必要针对复杂地形风场的流动特性进行数值模拟研究。本文首先基于标准k-ε湍流模型,进行了平衡大气边界层研究,通过在湍动能和耗散率的输运方程中添加源项以及对底部和顶部边界施加剪应力的方法实现了大气边界层良好的自保持特性。然后以香港小蚝湾(SHW)观测站周围复杂地形为研究对象,建立高精度的复杂地形数字模型并进行高质量网格划分,开展了不同风向下复杂地形风场的数值模拟,将模拟得到的SHW处的风场数据与风洞试验和现场实测数据进行对比,验证本文CFD数值模拟方法的有效性和可靠性。随后对复杂地形边界的扩展方式以及复杂地形范围和计算域尺寸进行了进一步的讨论,选用了不同的复杂地形边界扩展方式对数字地形边界进行平滑过渡,对比分析了不同扩展方式下的复杂地形流场特性,并探讨了复杂地形范围大小和计算域尺寸的设置对复杂地形流场特性的影响,为复杂地形风场数值模拟中的地形边界处理以及地形范围选取和计算域尺寸的设置提供了参考。最后为了在复杂地形风场的数值模拟中施加更加符合实际的入流条件,保留更大范围的原始地形的地貌特征,减少当前数值计算中软硬件水平的影响,提高复杂地形风场数值模拟的效率和准确度,基于IMP法将复杂地形风场模拟的计算域在来流方向上分为上下两级,进行数值模拟,利用FLUENT将上一级复杂地形计算域模拟的速度和湍流特性等结果提取出来并作为下一级计算域的入口边界条件来实现复杂地形风场的快速高精度数值模拟。
【学位单位】：合肥工业大学
【学位级别】：硕士
【学位年份】：2019
【中图分类】：X51;X16
【部分图文】：
尺模型的数值风洞模拟来对比和验证这些措施的适用性和有效性。2.5 数值模拟针对每种剪应力模型的数值模拟分为四种工况，工况一：采用标准 k- 模型和标准壁面函数；工况二：在工况一的基础上添加源项修正；工况三：在工况一的基础上对底面和顶面边界施加剪应力修正；工况四：在工况一的基础上添加源项并对底面和顶面边界施加剪应力修正。2.5.1 数值建模计算域模型采用无障碍物的二维矩形空流场，利用 ICEM CFD 软件建立计算域并进行结构化四边形网格划分。缩尺模型尺寸为 12m（长）×1.8m（高），水平方向网格间距 0.1m，竖直方向首层网格高度 0.01m，以 1.05 的增长率增大，顶层网格尺寸为 0.2m，整个计算域网格总数为 6300；足尺模型计算域尺寸为 5000m（长）×500m（高），水平方向网格间距 10m，竖直方向首层网格高度 1m，以1.05 的增长率增大，顶层网格尺寸为 10m，总数 39500。网格示意如图 2.1 所示。
第三章 多风向下复杂地形风场数值模拟数据建模，为解决选取地形边界处高程不一致的问题，采用式(3-1)所示扩展方程把原始地形向外扩展成统一高程的平坦地形[81]，外围平坦地形的高程取为零，扩展后的地形如图 3.3 所示，图 3.3（a）中浅蓝色的区域是原始地形与平坦地形之间的过渡地形。然后，利用 Gambit 和 ICEM CFD 相结合进一步建立了大小为22.14km×127.16km×5km(x×y×z)的三维复杂地形计算域模型，如图 3.4 所示，计算模型阻塞率约为 2.53%[82]，满足通常 3%的要求。( )( )( )( )2 22 20 2000, ( , ) 2000( , )2 212000R x yz x y z x y R x y Rn ez x yex y R ( )2 20 x y R (3-1)式中，zn(x,y)为扩展地形坐标；ze(x,y)为原始地形坐标；R 是原始地形边界点到观测站的水平距离。
第三章 多风向下复杂地形风场数值模拟数据建模，为解决选取地形边界处高程不一致的问题，采用式(3-1)所示扩展方程把原始地形向外扩展成统一高程的平坦地形[81]，外围平坦地形的高程取为零，扩展后的地形如图 3.3 所示，图 3.3（a）中浅蓝色的区域是原始地形与平坦地形之间的过渡地形。然后，利用 Gambit 和 ICEM CFD 相结合进一步建立了大小为22.14km×127.16km×5km(x×y×z)的三维复杂地形计算域模型，如图 3.4 所示，计算模型阻塞率约为 2.53%[82]，满足通常 3%的要求。( )( )( )( )2 22 20 2000, ( , ) 2000( , )2 212000R x yz x y z x y R x y Rn ez x yex y R ( )2 20 x y R (3-1)式中，zn(x,y)为扩展地形坐标；ze(x,y)为原始地形坐标；R 是原始地形边界点到观测站的水平距离。
【参考文献】
本文编号：2894297
【学位单位】：合肥工业大学
【学位级别】：硕士
【学位年份】：2019
【中图分类】：X51;X16
【部分图文】：
尺模型的数值风洞模拟来对比和验证这些措施的适用性和有效性。2.5 数值模拟针对每种剪应力模型的数值模拟分为四种工况，工况一：采用标准 k- 模型和标准壁面函数；工况二：在工况一的基础上添加源项修正；工况三：在工况一的基础上对底面和顶面边界施加剪应力修正；工况四：在工况一的基础上添加源项并对底面和顶面边界施加剪应力修正。2.5.1 数值建模计算域模型采用无障碍物的二维矩形空流场，利用 ICEM CFD 软件建立计算域并进行结构化四边形网格划分。缩尺模型尺寸为 12m（长）×1.8m（高），水平方向网格间距 0.1m，竖直方向首层网格高度 0.01m，以 1.05 的增长率增大，顶层网格尺寸为 0.2m，整个计算域网格总数为 6300；足尺模型计算域尺寸为 5000m（长）×500m（高），水平方向网格间距 10m，竖直方向首层网格高度 1m，以1.05 的增长率增大，顶层网格尺寸为 10m，总数 39500。网格示意如图 2.1 所示。
第三章 多风向下复杂地形风场数值模拟数据建模，为解决选取地形边界处高程不一致的问题，采用式(3-1)所示扩展方程把原始地形向外扩展成统一高程的平坦地形[81]，外围平坦地形的高程取为零，扩展后的地形如图 3.3 所示，图 3.3（a）中浅蓝色的区域是原始地形与平坦地形之间的过渡地形。然后，利用 Gambit 和 ICEM CFD 相结合进一步建立了大小为22.14km×127.16km×5km(x×y×z)的三维复杂地形计算域模型，如图 3.4 所示，计算模型阻塞率约为 2.53%[82]，满足通常 3%的要求。( )( )( )( )2 22 20 2000, ( , ) 2000( , )2 212000R x yz x y z x y R x y Rn ez x yex y R ( )2 20 x y R (3-1)式中，zn(x,y)为扩展地形坐标；ze(x,y)为原始地形坐标；R 是原始地形边界点到观测站的水平距离。
第三章 多风向下复杂地形风场数值模拟数据建模，为解决选取地形边界处高程不一致的问题，采用式(3-1)所示扩展方程把原始地形向外扩展成统一高程的平坦地形[81]，外围平坦地形的高程取为零，扩展后的地形如图 3.3 所示，图 3.3（a）中浅蓝色的区域是原始地形与平坦地形之间的过渡地形。然后，利用 Gambit 和 ICEM CFD 相结合进一步建立了大小为22.14km×127.16km×5km(x×y×z)的三维复杂地形计算域模型，如图 3.4 所示，计算模型阻塞率约为 2.53%[82]，满足通常 3%的要求。( )( )( )( )2 22 20 2000, ( , ) 2000( , )2 212000R x yz x y z x y R x y Rn ez x yex y R ( )2 20 x y R (3-1)式中，zn(x,y)为扩展地形坐标；ze(x,y)为原始地形坐标；R 是原始地形边界点到观测站的水平距离。
【参考文献】
相关期刊论文 前3条
1 胡朋;李永乐;廖海黎;;基于SST k-ω湍流模型的平衡大气边界层模拟[J];空气动力学学报;2012年06期
2 肖仪清;李朝;欧进萍;宋丽莉;李秋胜;;复杂地形风能评估的CFD方法[J];华南理工大学学报(自然科学版);2009年09期
3 吴培华;;风电场宏观和微观选址技术分析[J];科技情报开发与经济;2006年15期
本文编号：2894297
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