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基于CFD模拟的地形因素对边界层风场的影响研究

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第1章 引言

1.1 选题背景及研究意义

1.1.1 风能资源评估的重要性及方法

1.1.2 风场分析的考虑因素

1.1.3 影响风场分布的地形因素

1.2 研究现状

1.2.1 粗糙度条件在CFD模拟中的影响

1.2.2 地形起伏对近地面风场的影响

1.2.3 地形对风场影响的研究小结

1.3 主要研究内容

第2章 风场CFD模拟的理论基础

2.1 大气边界层

2.1.1 大气运动理论

2.1.2 脉动风特性

2.2 湍流模拟方法

2.2.1 直接模拟

2.2.2 大涡模拟

2.2.3 Reynolds(雷诺)时均方程

2.3 离散方法

2.4 基于Fluent的风场数值模拟方法

2.4.1 Fluent软件介绍

2.4.2 数值模拟流程

第3章 地形起伏对近地面风场的影响分析

3.1 地形起伏对风特性的影响

3.2 非定常风场的三维CFD模拟试验

3.2.1 地形建模

3.2.2 网格划分

3.2.3 边界条件设置

3.2.4 控制方程及数值解法

3.3 模拟风场数据的提取

3.4 悬崖地形对风场的影响分析

3.4.1 坡度对于风场分布的影响

3.4.2 坡度对于风场稳定性的影响

3.5 山脉地形对风场的影响分析

3.5.1 山脉对于风场分布的影响

3.5.2 山脉对于风场稳定性的影响

3.6 本章小结

第4章 粗糙度对近地面风场的影响分析

4.1 地表粗糙度对风特性的影响

4.2 试验介绍

4.2.1 Askervein山地介绍

4.2.2 数值模拟试验设置

4.3 粗糙度试验对比方案及结果分析

4.3.1 试验对比方案

4.3.2 模拟结果

4.3.3 粗糙度敏感性分析

4.4 粗糙度精细化方法的实现

4.5 本章小结

第5章 总结与展望

5.1 主要成果及结论

5.2 不足及展望

参考文献

附录A 数据提取程序

攻读硕士学位期间发表学术论文情况

致谢

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摘要

风场是影响大气污染物扩散、稀释最重要的气象因素,研究风场不仅对于合理地利用风能具有重要意义,也可为交通尾气污染的扩散研究提供基础。针对复杂地形下的风场特点,本文分别就地形起伏与地表粗糙度两种地形因素开展研究,总结其对风场分布及稳定性的影响规律。
   对于地形起伏对风场的影响,本文设计了两组试验,运用非定常流动的CFD(计算流体力学)模拟,考察不同坡度的悬崖地形和山脉地形的风速、风向、湍流分布,探讨地形对于风速的抬升效果以及对风场的扰动作用。通过统计各试验方案中两种离地高度(50m和100m)水平间隔为50m的所有考察点处风速、风向随时间变化的指标,得出以下结论:与带有明显棱角的悬崖地形相比,同等高度的山脉地形对风的加速作用更强,而对风场的扰动作用却弱很多;坡度越小,地形起伏给风场带来不稳定的影响范围越小,但影响的发生点会越延后;所考察的两种离地高度处,100m处各点风场所受地形起伏的影响明显弱于50m处。这些结论为特定地形风场的全面分析提供一定的技术参考。
   此外,本文以苏格兰Askervein小山为例,详细阐述了CFD模拟用于实际地形风场分析的工作流程,并且通过不同地表粗糙度下的风场结果对比,证明粗糙度条件会对风场造成较大的影响。为避免实际地形风场CFD模拟中粗糙度单一化所带来的误差,本文尝试了在此试验中引入地表粗糙度的精细化方案,取得了良好的应用效果,很大程度上提高了模拟精度,为实际工程中复杂地表的CFD模拟提供技术方法。

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