风能模型的发展及CFD在风资源开发利用中的应用

风能科学的发展一个很重要的方面就是从大气运动到风力发电机尺度流场的不同时空尺度运动的研究。随着计算能力的发展,计算流体力学(computational fluid dynamics,CFD)已经广泛应用于风能开发领域,使得风能模型从应用于较平坦地形的线性模型,发展到应用于复杂地形、耦合天气过程,考虑风力发电机排布、尾流效应的模型链。本文首先介绍了目前风能评估、微观选址、风功率预测模型的发展,之后详细介绍了在这些风能模型中CFD方法的改进,主要集中在中尺度到微尺度的“降尺度”、尾流模拟和复杂地形风场模拟3个方面,最后对风能模型发展过程中CFD所面临的挑战进行了展望。

大气边界层强风的阵性和相干结构

我国北方春季冷锋过境后，常骤发强风，甚至起沙扬尘，持续数小时甚至一二天，通过对边界层超声风温仪的资料分析，可知大风常叠加有周期为3～6min的阵风，较有规律，且有明显的相干结构：阵风风速峰期有下沉运动，谷期有上升运动；阵风扰动以沿平均流的顺风方向分量为主，横向和垂直方向的分量都较小，其本质是低频次声波和重力波的混合；阵风沿顺风向且向下传播。周期小于1min的脉动在水平面上基本是各向同性的不规则的湍涡。大风期间，无论是平均流、阵风和湍流脉动，至少在120m高度以下，主要都有西风和北风动量下传，感热上传。平均流的动量下传强于由脉动下传的量，与一般天气情况不同，而且阵风与湍流的动量下传的量值差不多。平均流和阵风在动量传送上起相当大的作用。

复杂地形风场的精细数值模拟

风能是一种重要气候资源,随着我国风电规模的迅速增大,发展风能资源评估系统和风功率预测系统已成为一项重要的研究内容.国内外对复杂地形风场结构的数值模拟有大量研究,随着计算机能力增强,以往用于空气动力学精细流场计算的计算流体力学（Computational Fluid Dynamics,CFD）模式越来越多地在气象领域得到应用,人们开始研究用中尺度预报模式和CFD模式结合进行复杂地形风场的数值模拟.本文的耦合模式系统采用中尺度气象模式（WRF）,通过嵌套网格到内层尺度（一般是几公里）,然后通过耦合CFD模式Fluent软件获得高分辨率（水平30～100 m,垂直150 m高度以下10 m）的风速分布资料,得到精细化的风场信息.通过对鄱阳湖北部区域和云南杨梅山复杂地形的风场模拟,提供了风能评估和预报的一种可行的方法.

格子玻尔兹曼方法及其在大气湍流研究中的应用

文章的目的是对格子玻尔兹曼方法进行系统的介绍,格子玻尔兹曼方法(Lattice BoltzmannMethod)的出现直接来源于20世纪60年代的元胞自动机(Cellular Automata)思想,而这一方法用于解决流动现象时,又可以追溯到19世纪的分子运动论,求解的是Boltzmann提出的玻尔兹曼输运方程,因此将这一方法称为格子玻尔兹曼方法,之前也被称为格子气自动机(Lattice Gas Automa-ton)。该方法多用于研究复杂现象,如材料晶体凝聚时的生长过程、城市土地利用的演化等方面。在20世纪70年代由Hardy、Pomeau和Pazzis建立了第一个用于研究流体运动的格子气自动机,此后,这一方法被广泛用来模拟各种流动问题,诸如二相流、孔隙介质中的渗流等,并根据这一方法开发了相应的商业软件PowerFlow。同时,格子玻尔兹曼方法由于其在微观水平描述运动的特点,成为研究湍流的一个很好的数值计算工具,特别是用其进行直接数值模拟(DNS)计算,成为继传统的差分法、有限体积法和谱方法之后的又一有力的手段。而作为大气运动的一个主要现象的大气湍流,比普通湍流更加复杂,在这里着重介绍了大气湍流的特点和应用格子玻尔兹曼方法模拟湍流的发展过程。

街区污染物扩散的数值研究

对街区峡谷内交通污染扩散规律的研究是城市空气质量预测的主要内容之一。应用现代流体力学数值模拟方法进行大量算例的计算和分析,研究了城市街区峡谷污染物二维扩散的规律。包括比较各种条件下污染物的扩散浓度,考察来流风速、街区特征比例和日照等因素对扩散的影响,通过研究流场及湍流强度分析其扩散的动力学原因,为改进工程预测模式提供依据。

阵风的分形与混沌特征研究

首先分析了北京2002年3月一次强沙尘天气过程的阵风结构,对其进行了分形特征的分析,比较不同高度层上分数维的变化,不同时间尺度阵风概率分布的标度关系,以及无阵风时间尺度概率分布的标度与分数维存在的联系。更进一步,分析了2002年全年的阵风分形特性、3月的分形特征以及其他天气现象(如降雨)的分形特征比较后,发现:1)小尺度阵风结构的分数维要高于大尺度阵风分数维,这是因为小尺度阵风包含了更多短时局部的天气信息;2)不同高度、不同时间尺度阵风的分数维存在较大差异,而不是象湍流脉动时间序列的分数维那样随时间基本不变;3)因受天气形势的影响大,中尺度阵风的分数维虽基本相同,但由于大尺度阵风较少,其概率分布不存在标度关系,这同样也在其他天气现象(如降雨)中存在;4)无阵风时间尺度概率分布的标度与分数维之间的联系,一方面反映在其标度指数上,另一方面反映在其标度区间上。

复杂地形网格生成研究

在研究羽流扩散的过程中,根据实验中提供的复杂地形数据,采用一系列的格式转化,将其变为流体力学计算软件Fluent和其建模软件Gambit能够读取的数据,并生成相应的计算网格,为计算复杂地形上的羽流扩散创造了条件。

强风天气下边界层结构特征

近地层观测的强风运动表明,叠加在平均流动之上的脉动通常有两种,一种是随机的湍流脉动,还有一种具有相干结构的阵风扰动。分析表明,上层强风的剪切运动产生阵风,并向下传递能量,对近地层的通量传输起到重要作用。本文利用北京325 m气象塔、位于海拔1257 m的妙峰山测风塔和位于海拔1688 m的灵山测风塔的资料,分析了强风天气下,边界层上层出现阵风并向下传递的过程,进一步证实无论在近地层还是边界层上层,强风期间,叠加在平均流动上除了高频湍流脉动之外,还有周期为1~10分钟的阵风,即相干结构。阵风峰期有下沉运动,阵风谷期有上升运动。这些相干结构在边界层上层产生,向下运动和传播过程中受到平均气流梯度的切变作用和地面摩擦,破碎为湍流结构。边界层上层的阵风和湍流产生的动量通量向下传递,使得强风期间,边界层中阵风和湍流对通量具有同样的输送能力,对边界层中沙尘、污染物等气溶胶的传输具有重要作用。本研究为模式中进行通量输送参数化方案的修正提供了观测和理论依据。

大气边界层内羽流扩散研究

主要研究了高架点源的污染,即"羽流扩散".由于大气边界层内的湍流运动,引起污染物扩散的主要因素是湍流扩散,研究湍流扩散有两种基本方法:统计理论和梯度理论.采用拉格朗日粒子扩散模型(Lagrangianparticle dispersion model,LPDM)来评价羽流扩散的平均浓度,分别计算了表征扩散程度的3个参数:沿烟轴方向的着地浓度、水平方向的羽流扩散宽度和垂直方向的羽流扩散宽度.从计算结果和风洞实验的数据对比来看,用该模式可以较好地模拟大气边界层内复杂气候条件下的羽流扩散.

大气边界层剪切湍流统计特性的风洞实验及其层次相似律

对风洞模拟的大气边界层的剪切湍流场的速度脉动时间序列信号以及某一高度位置上的小波变换分解重构的信号进行了系统的统计分析。结果表明,在非均匀下垫面大气边界层的不同垂直高度上的信号,SheLeveque湍流层次相似律都成立,层次相似指数β和最高激发态的奇异标度指数γ随垂直高度的变化而变化,并给出不同尺度的分解重构信号的一些层次结构特点。

影响街区峡谷浓度扩散的因素

对街区峡谷内污染扩散规律的研究是城市空气质量预测的主要内容之一。应用现代流体力学数值模拟方法进行大量算例的计算和分析,研究了城市街区峡谷污染物二维扩散的规律。在分析二维街区峡谷内浓度扩散的规律时,发现对街区峡谷浓度扩散的两个影响因素,其中定量分析了湍流脉动对浓度扩散的影响,与层流时得到的浓度扩散进行了通量积分的比较;此外,定性分析了不同类型的街区峡谷对扩散的影响。

北京325m气象塔塔体对测风影响的数值模拟

安装在气象观测塔上的仪器进行风速测量时,气象塔塔体本身会对流场有一定的影响,使其附近局部流场发生变化,产生绕流和尾流,导致所测风场数据相对于真实风场值失真,利用计算流体力学软件Fluent对北京325m框架式气象塔周围的风场进行了模拟,给出流向风速在该塔伸臂上测风位置的失真情况,及风速失真大小随风向风速的变化规律,计算表明若伸臂处于迎风面,在测风点上的风速误差均小于5%,与实际观测一致,验证了北京325m气象塔风速伸臂设计的合理性。

浅水波-流对直立桩柱作用的分层数值解法

本文采用分层方式,用水气比拟方程计算由于存在桥墩等障碍物而造成的浅水波高度的变化,以此给出水下粘性层内计算域上表面的压力,用传统的N S方程计算粘性层内的流动,得到了波 流联合作用下桥墩上的压力分布和河床上压力与剪应力分布随时间周期性的变化过程,并得到了一些有意义的结论。

燃气源开槽导管三维流场的数值模拟

为了解某火箭弹控制系统燃气源开槽导管内的气流流动特性，通过ＳＩＭＰＬＥ方法对其复杂流场进行了数值模拟。采用隐式时间分裂格式、幂函数方案及交错网格修正压力等方法，获得了燃烧室后部和导管内气流的速度、压力、密度和温度的三维分布。

定转子槽配合对高压异步电动机温升的影响

定、转子槽配合选择不当,会引起电机附加损耗增加和电机内风路不畅,从而导致电机温升过高。从实例进行分析定转子槽配合对高压鼠笼型异步电动机的温升及效率的影响,提出解决问题的方法,并推出优选少槽配合方案。

周期性扰动对湍流边界层层次结构的影响

在开口式循环水槽底部湍流边界层外区中引入周期性扰动,对湍流场的速度脉动时间序列信号进行了统计分析,研究了湍流边界层中周期性人工扰动对湍流结构的影响,结果表明高频扰动的湍流中SheLeveque(简称SL)湍流层次相似律成立。

燃气源开槽导管出口烧蚀特性分析

针对某火箭弹控制系统燃气源在点火试验过程中出现的导管出口烧蚀现象，利用数值计算模拟气流流动参数分布， 考虑到导管管壁的非稳态传热过程， 计算出不同时刻在导管开槽出口附近管壁的温度分布，

三维药柱固体火箭发动机内弹道数值模拟

介绍了一种适用于工程内弹道计算的数值模拟新方法。用直接积分法计算三维药柱燃面，能得到精确的计算结果。在内弹道计算中，设燃烧产物为准定常流动，使用分段解析法进行内弹道的数值模拟。对某翼柱型三维药柱发动机内弹道进行计算，取得了接近实验的结果。

二维装药内弹道数值模拟改进方法

研究了长细比大的管形装药固体火箭发动机在燃烧过程中的侵蚀燃烧和滞点漂移现象。视燃烧产物为准定常流动，使用分段解析法，进行内流场的数位模拟，并对滞点漂移进行了计算。

大气边界层非常定下沉急流和阵风的起沙机理

首先用动量原理导出水平沙尘通量Q的Bagnold型公式,由此可以反推出使Q达到统计平衡态所需的气流水平动量下传的作用时间。其次导出准常定下沉急流情况下的公式Q,此时公式中的摩擦速度u*应由u**代替,其中u4**=u4*m+u4*,u*m和u*各指由下沉平均急流和脉动的动量垂直通量所对应的特征速度(习惯上称为摩擦速度)。其后指出,在研究风蚀和计算沙尘通量时,应以1 min做统计平均为宜,否则会过低估算了起沙尘的时段长度和起沙尘量。最后指出,不同频率的扰动和脉动的起沙尘效率是不同的,以适中的频率效率最高,从而在非常定急流作用下,应用u**e代替u**,其中u*4*e=u4*m+u4*e+(1+A4)u4*g,而u*m,u*e和u*g则各为由平均急流、湍流脉动和阵风所导致的相应摩擦速度,A为阵风增益系数。