龙卷风风场数值模拟及发生装置研制

发布时间：2020-05-11 19:26

【摘要】：龙卷风是一种极端天气,具有持续时间短、风力大、破坏力强和难以预测等特点。在地球上除南极洲外,其它大洲都有龙卷风发生,北美和欧洲更是龙卷风的多发地。全球每年因龙卷风造成的经济损失和人员伤亡都十分巨大。虽然人们通过数值模拟、实验模拟和现场测量等方法进行了大量研究,但对于龙卷风的生成机理、结构特点和破坏方式还没有统一的定论。近年来,人们在研究龙卷风时发现了其在旋风分离器和航空发动机等领域的实际应用价值,另外还有研究者提出了利用龙卷风发电的设想。因此,无论是防范龙卷风造成灾害还是利用龙卷风产生价值,都需要对龙卷风进行系统而全面的研究。这对于社会经济发展和人类生存环境的保护都有重要的意义。本文采用数值模拟的方法来研究龙卷风的内部结构和速度分布,分析各种因素对龙卷风风场造成的影响,设计并制造了龙卷风发生器。主要研究内容如下:对已有的龙卷风发生装置进行简化,建立了数值模拟的物理模型,包括入流区、对流区和出流区三个组成部分。使用商用软件FLUENT来进行数值模拟,并将数值模拟结果与实际测量结果进行了比较,验证了本文数值模拟方法的准确性。研究了龙卷风风场的内部结构和流场特性,发现了不同结构转换的临界涡流比,得到了风场的速度分布和核心半径的变化规律。由于现实中龙卷风是移动的,并且经常会经过城镇,因此分析了平移、粗糙表面对龙卷风风场的影响。在本次数值模拟中,入口风速和模型尺寸是可变因素,所以研究了其对龙卷风风场的影响。根据数值模拟结果,提出并设计了一种新的龙卷风发生装置,通过实验测量数据与数值模拟结果进行对比,验证了该装置可以产生近似龙卷风的风场。本文采用计算流体力学方法,研究结果为实验研究龙卷风提供了新的发生装置,为龙卷风在实际中应用奠定了基础。
【图文】：

龙卷风

a）水龙卷 b) 火龙卷c) 多旋涡龙卷 d) 陆龙卷图1-1 龙卷风分类在孟加拉国，每年近乎 200 人直接或间接丧生于龙卷风。加拿大每年因龙卷风造成的经济损失达数千万美元。据相关部门统计，世界上龙卷风出现最多的国家是美国，平均每年近千个龙卷风袭击美国，每起龙卷风造成上千人伤亡。美国中西部和南部由于其独特的地理条件和气象条件成为美国发生龙卷风最多的区域。发生于 1925 年 3 月 18 日，越过了美国三个州的三州大龙卷导致 695 人死亡，是目前人类历史上有记载的伤亡最惨重的龙卷风。我国在 1949 年至 1990 年间，有统计记载的龙卷风发生 97 次，，分布省份包括河南、江西、广东、广西、黑龙江、上海等 20 余个省及直辖市

龙卷风,实验室模拟,涡流比

研究者制作了几种实验室人造龙卷风生成装置，如图1-2 所示。Tari[7]等利用小型龙卷风产生装置，如图 1-2a)，研究了涡流比从0.08 到 1 之间的龙卷风风场的动力特征，认为龙卷风的切向速度和径向速度以及核心半径随着涡流比的增加而增加，最大切向速度和径向速度在距离龙卷风和地面相互作用的不远处。在小涡流比下，存在层流核心，随着涡流比
【学位授予单位】：哈尔滨工业大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2015
【分类号】：P445

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