强台风致风沙耦合运动及其对风力机气动力分布影响研究

针对现有土木工程领域台风理论模型过度简化的问题,首先引入基于非静力平衡欧拉方程模型的天气预报模式(WRF)对“鲇鱼”台风进行高时空分辨率模拟,并基于非线性最小二乘法拟合得到边界层风速剖面。同时,为系统对比台风与良态风场的差异性,设置与该台风风速剖面在规范A类地貌梯度高度处风速相同的良态风风速剖面,并分别集成至用户自定义函数(UDF程序)中作为小尺度CFD数值模拟入口条件。在此基础上,以中国东南沿海地区某风电场的5 MW水平轴风力机为研究对象,以风-沙双向耦合算法为核心,采用连续相和离散相模型(DPM)进行风场和沙粒组合的同步迭代模拟,对比研究台风和良态风作用对沙粒运动特征、结构表面等效压力分布模式和升阻力系数特性等的影响规律。结果表明:WRF模式可有效模拟近地面台风风场,拟合的“鲇鱼”台风剖面指数为0.091。与良态风相比,中尺度台风作用显著加剧了风力机结构表面三维气动力分布模式。相较于风荷载,沙荷载主要冲击塔架中下部迎风区域两侧各30°范围,沙荷载与风荷载比值达3.937%,沙压系数最大值为0.09。强台风与大粒径沙粒耦合冲击效应更显著,塔架阻力系数最大增幅可达9.80%,相较于良态风场塔架阻力系数极大值增大13.79%。

沙粒跃移运动的数值模拟

沙粒在风场作用下形成的风沙运动,直接导致一系列环境问题。现有的数值模拟并没有揭示风沙流的二维性质。本文提出一种合理有效的模拟方法来揭示风沙流时空的变化。气相运动采用大涡模型,而固相(沙粒)处理为离散体系(DEM),并利用已有的沙粒与床面碰撞的激溅函数,以获得整个风沙系统运动特性。结果表明:其发展过程与以往的试验结果相比较符合;风沙流达到稳定后,不同截面输沙率沿高度分布与平均输沙率相比差别很大,并大约在9cm高处,平均输沙率出现极值,单宽输沙率沿风向分布同样具有非均匀性。

风沙电多场耦合中沙粒跃移运动的受力分析

基于风沙电多场耦合跃移运动的理论模型,通过对稳定风沙运动的数值模拟,将沙粒在运动过程中所受各种作用力,如空气阻力、Magnus力、Saffman力、静电力与重力进行了对比研究,讨论了沙粒所受各种作用力随摩阻风速、沙粒粒径、沙粒初始旋转角速度和初始起跳速度的变化规律.

脉动风场下风沙流结构的数值模拟

基于野外观测实验和Langevin方程对风场脉动的描述,研究了脉动风场下沙粒的跃移运动以及风沙流结构特征。结果表明,脉动风场对沙粒的跃移运动有着显著的影响,沙粒粒径越小,脉动风场对跃移运动轨迹的影响越大;考虑风场脉动时给出的风沙流结构具有明显的分层特征,并与实验测量结果吻合得更好。