湍流强度分布对风电机组疲劳载荷的影响研究

湍流强度是风电机组的主要设计参数之一,对风电机组设计载荷有直接影响。结合IEC 61400-1第4版对湍流强度及其分布参数计算方法进行介绍,分析了湍流强度对疲劳载荷的影响。按照等概率分布方式,对不同区间数对应的等效疲劳载荷进行了仿真计算和对比。计算结果表明,采用湍流强度分布计算方法可以显著降低机组设计疲劳载荷。结合主轴疲劳计算结果,说明了这一方法的有效性。

壁湍流等动量区空间分布的实验研究

为深入探索湍流边界层等动量区的空间分布特性,使用大视场粒子图像测速仪在水洞中测量了平板湍流边界层流向–法向(x–y)平面内的速度矢量场。通过计算流向速度的概率密度函数,得到不同时刻和空间位置的等动量区分布,分析不同数量的等动量区沿流向的持续距离及出现频率。不同等动量区数量下,其对应的流向持续距离和流向间隔具有显著差异。当等动量区数量与其平均值相近时,等动量区在流向的持续距离较长,且流向间隔较小、出现频率较大;当等动量区数量与其平均值相差较大,其对应的流向持续距离较短,且流向间隔较大、出现频率较低。

湍流对天津颗粒物粒径谱分布的影响

大气颗粒物粒径谱分布不仅受到温度、湿度和风等气象因素影响,也与湍流等边界层特征密切相关。基于2018年11月同步观测的14.6~660.0 nm颗粒物粒径谱和相关气象数据,探讨不同气象因子,特别是湍流对颗粒物粒径谱分布的影响。研究结果表明:气温升高有利于促进核模态颗粒物总数浓度的增加,相对湿度升高可减少核模态和爱根模态颗粒物的总数浓度,同时增加积聚模态的颗粒物总数浓度。风速、湍流动能、摩擦速度、湍流强度等增加,对爱根模态和积聚模态的颗粒物起稀释、清除作用,但可促进核模态颗粒物总数浓度的增长。与湍流日变化相反,爱根模态和积聚模态的颗粒物总总数浓度的日变化呈现昼低夜高的变化趋势,清洁日核模态颗粒物总数浓度在午后持续增加,并在傍晚前达到峰值。核模态颗粒物总数浓度的增加相对于湍流的发展存在时间上的滞后性,当湍流发展3~5 h后,核模态颗粒物总数浓度开始明显增加。

面向湍流大数据的高效存储与访问关键技术研究

随着测量技术和数值模拟技术的发展,数据驱动的湍流研究成为该领域的新研究方法。我国已建立了多个风洞实验室和多个超算中心来模拟湍流,这些研究积累了大量的湍流数据,但是国内没有集中的湍流数据管理平台,耗资巨大的实验和仿真数据难以实现交流和共享。湍流数据具有数据量大、维度高、精度高和多源异构等特点,其存储、访问与管理存在数据集成困难、数据访问低效和存储效率低等问题。设计了一个面向航空、航天和航海典型流动问题的湍流大数据分布式存储系统TDFS。结合湍流大数据的访问特点,在TDFS中设计了新的元数据组织方式和数据访问接口。实验结果表明,与HDFS和GlusterFS相比,TDFS分别实现了54.38%和57.7%的接口响应速度提升。同时,为了降低湍流大数据的存储开销,设计了基于HDF5的副本延迟压缩机制,相比原有的副本存储方式,节省了34%的存储空间。

基于各项异性多项式分布的风力机三维尾流模型

针对风切变效应及风切变与均匀流的风速差产生的质量亏损,本文提出了一种更先进的三维尾流模型,不同于以往高斯模型,该模型假设速度分布为多项式形状,采用了更加直观的物理尾流边界。此外,考虑到尾流边界的各向异性膨胀,给出了横向和垂向尾流边界扩展率的表达式,这使得该模型仅根据入流风条件及风力机参数即可确定2个方向上的扩展率。通过陆上(I0=13.4%, 9.4%)和海上(I0=6.9%, 4.8%)风况的大涡模拟数据对本文模型的预测精度进行验证研究。与传统模型相比,本文模型能够更好地预测风力机的垂向和横向的尾流分布,最大和最小误差均最小。

大气湍流对LIF探测海面溢油影响的BRRDF仿真研究

及时定位海面溢油事故发生地并监测海面溢油信息对海洋污染治理和海洋生态环境保护有重要意义。激光诱导荧光(LIF)可搭载于无人机构建LIF雷达系统并应用于海洋环境监测。LIF雷达系统以大气为传输信道,大气湍流会导致信号衰落。双向反射再辐射分布函数(BRRDF)利用受激辐射荧光光子的权重、位置和方向描述物质的荧光特性,为LIF探测海面溢油提供理论指导。基于大气湍流理论和蒙特卡罗方法模拟海面溢油的受激辐射荧光过程,建立光子传输模型进行海面溢油BRRDF的仿真研究。仿真分析不同湍流强度下,光强闪烁、光束漂移、光束扩展效应对海面溢油BRRDF的影响。仿真结果表明,海面溢油受激辐射荧光信号具有各向同性,其强度与激发光的强度成正比。光束漂移效应对荧光漂移范围影响微弱,可以忽略;在弱大气湍流下(湍流强度参数σ_(R)^(2)<1),BRRDF所表征的荧光信号强度集中在2×10^(-5)~5×10^(-5)范围内,荧光光斑半径由1mm扩展至5mm,LIF雷达系统可以正常进行探测工作;大气湍流强度到达中等后(σ_(R)^(2)≈1),荧光信号强度在10^(-5)~10^(-4)范围内波动,荧光光斑半径扩展至15mm,此时大气湍流的不利影响无法忽视,LIF雷达系统探测到的荧光信号不够稳定,最终导致光谱不理想。在实际探测中,可通过适当提高探测器性能参数来增强系统的抗湍流能力。强大气湍流下(σ_(R)^(2)=25),出现光斑破裂现象,荧光信号分散并衰落至某一阈值之下,LIF雷达系统无法探测到荧光信号。文中的分析与提出的可行的研究建议,为LIF探测海面溢油相关研究提供参考依据,对LIF雷达系统设计具有一定的参考价值。

大采高综采工作面截割湍流风对煤尘侧向逸散的影响机制

大采高工作面内大尺寸的采煤机滚筒在截割煤体时产生更为明显的湍流风,使得工作面局部风速发生变化,粉尘颗粒向人行道区域发生横向扩散。为了明晰大采高工作面截割湍流风对粉尘质量浓度沿程分布的影响机制,针对三道沟85219工作面,运用数值模拟方法构建了风流-粉尘两相耦合数学模型,对工作面风流分布、粉尘运移、呼吸带高度粉尘质量浓度分布进行研究。结果表明;相较于仅系统通风作用下的流场,前后滚筒处及移架处在截割湍流风扰动下横向偏移分速度明显增大,在滚筒附近产生了横向偏移分速度约为-1.06 m/s的“风流偏移区”;在截割湍流风扰动下,前后滚筒处质量浓度超过151.85 mg/m^(3)的粉尘团向人行道区域发生横向逸散,在顺风割煤状态下前滚筒处截割湍流风对截割煤尘横向逸散的诱导能力高于后滚筒处,前滚筒附件人行道呼吸带区域粉尘质量浓度相较于仅系统通风状态下提升了64.77%;将模拟数据与现场实测数据进行比对,相对误差小于12.57%,模拟数据相对准确。基于此,提出一种采煤机含尘气流控尘装置,在现场进行应用并检测其防控尘效果,在工作面人员作业区域呼尘降尘效率超过78.31%,全尘降尘效率超过89.93%。

七里河体育场罩棚风压分布数值模拟研究

以兰州市七里河体育场为工程背景,基于ANSYS-CFX 19.0软件平台,采用SSTk-ω湍流模型对体育场罩棚12个风向角下表面风压分布特性进行了数值模拟,分析了风向角和周围建筑物对风压分布的影响,获得了罩棚表面风压分布的规律,并探讨了罩棚周围流场的绕流特性,最后根据罩棚的结构形式及风压分布特点,给出了最不利风向下罩棚表面的分区风压系数以及罩棚设计风荷载的计算方法。结果表明:周边干扰建筑物对体育场中心周围的风场和表面风压有明显的影响,数值模拟结果符合钝体绕流规律;风向角对风荷载的影响较大,不同风向角下,来流的分离和漩涡脱落作用均有较大的不同;屋面最大负风压区出现在沿风向的屋面前缘角部,且迎风向前端出现正压区,模拟结果可供实际工程采用。

风沙湍流的间隙性、稳定性分布及分形特征

根据风沙湍流本身的不均匀性、间隙性,用稳定性分布研究了含沙量M随高度h的变化得M(h)∝h^(-D),求得分维D=2.36(h>10cm),D=1.465(h<10cm),速度分布W(|u|)=a_2|u|^((-D)/(2-1))。沙粒扩散<|x(t)|>∝t^(2/D);结合Kdv-Burgers方程的行波解,得风沙流的标度律(υ/β)ξ+Dlnh=A,揭示了耗散性υ、弥散性β、风速ξ和高度h之间的一种本质联系。被空气湍流吹动的沙粒起始半径r_e=(c’/(5-D)ρ)[(β/υ)In(E_1/E_2)]^((5-D)/3),起动风速V_1=V_(2exp)[(υ/2β)γ_c^3ρ~3(2.65/c’)~3],最后讨论了风沙流的多重分形特征。

Malaga大气湍流信道下副载波调制系统相位噪声分析

Malaga大气湍流信道下研究了系统解调模块的相位噪声对无线光副载波相移键控调制系统性能的影响。结合傅里叶级数及MeijerG函数性质,得到了Malaga大气湍流信道模型瞬时信噪比的概率密度函数,在Malaga大气湍流信道下推导了接收信号相位的傅里叶级数以及相位噪声影响无线光副载波MPSK调制误符号率的渐进表达式,在不同调制阶数和光强起伏方差下分析了相位噪声对系统误符号率的影响。数值结果表明,当相位噪声较小时,系统误符号率随着光强起伏方差增大而增大,相位噪声较大时,误符号率平层的出现受调制阶数的影响大于受湍流强度的影响,且随着调制阶数的升高,误符号率平层出现时所对应的平均电信噪比越低。

近壁湍流脉动的概率分布函数

采用大涡模拟方法,模拟槽道湍流,获得了不同雷诺数情形下的槽道流大涡模拟数据库.在此基础上,获得了流向和垂向脉动速度的概率分布函数,并运用假设检验,分析了其与正态分布的定量差别.进一步计算了流向和垂向脉动速度的偏斜度、平坦度,讨论了二者在粘性子层、过渡区和对数律区的变化.同时,讨论了粘性子层、过渡区和对数律区流向和垂向脉动速度概率分布函数的特点及其与湍流猝发的高速流下扫和低速流喷发事件的关系.最后,分析了雷诺数对流向、垂向脉动速度分布的影响.

大气边界层湍流标量场的概率分布及其特征分析

利用2004年11月在白洋淀地区和2005年1月在中国科学院大气物理研究所北京325 m气象塔的47 m高度由超声风温仪和水汽二氧化碳分析仪观测的湍流脉动资料,分析了大气边界层不同下垫面湍流标量场(温度、水汽和二氧化碳)的概率分布及其特征。标量场的概率分布通常不同于高斯分布,而且还会产生偏斜,可以用指数分布描述。因此,标量的偏斜度通常不为0,陡峭度也往往比3大。非0偏斜度的出现可能是由湍流时间序列中的相干结构和间歇性部分造成的。其中,相干结构的存在使概率分布偏斜,但是,它们对偏斜度的贡献相对较小,而与概率分布的长尾现象有关的间歇性则会使偏斜度大大增加。温度、水汽和二氧化碳的平均偏斜度和陡峭度反应了标量场与稳定度、下垫面、天气条件、源汇等因素之间的关系。在不同下垫面,温度和感热通量的偏斜度随稳定度变化比较一致;水汽通量的偏斜度在稳定和不稳定条件下都为正,而水汽本身在不稳定条件下可能出现负的偏斜度;二氧化碳和二氧化碳通量的偏斜度受下垫面影响很大,在不同下垫面,偏斜度与稳定度之间的关系并不一致;而3个标量的陡峭度随稳定度的变化不显著,它们与相应的偏斜度之间存在平方关系。

双Johnson SB分布湍流扰动OAM光通信接收信号生成研究

为了用蒙特卡洛方法分析大气OAM光通信系统性能,提出一种模拟具有指定时间自相关的湍流扰动双Johnson SB分布OAM光通信接收信号的方法。首先用自回归(AR)模型生成一个具有指定时间自相关的高斯随机数序列,同时另外产生一个服从双Johnson SB分布的白噪声随机样本序列;然后根据自相关高斯随机数序列的统计秩,重新排列双Johnson SB分布白噪声随机样本序列的各个样本,以匹配指定的时间自相关。通过仿真实验发现,模拟生成的信号的统计分布与双Johnson SB分布能很好地吻合,并且信号的时间自相关能匹配指定的时间自相关函数。仿真结果表明,所提方法能够用于模拟受湍流扰动的OAM光通信时域接收信号。

不同湍流模型对库区水温分布模拟的影响

【目的】探讨不同湍流模型对库区水温分布模拟的差异,为大型深水水库水温的准确模拟提供科学依据。【方法】以黄河上游李家峡水库为例,分别选取Smagorinsky、标准k-ε、混合k-ε等3种湍流模型,模拟预测李家峡水库升温期和高温期库区水温的分布,利用实测的水温资料,对比分析3种湍流模型水温模拟的精度,总结3种湍流模型模拟库区水温的分布规律。【结果】Smagorinsky模型、混合k-ε模型模拟的坝前垂向水温与实测水温吻合程度较高,标准k-ε模型的模拟结果与实测水温有一定差异;3种湍流模型模拟的发电引水口水温均高于实测水温,混合k-ε湍流模型模拟的5月水温与实测水温的最大误差为5.2%,Smagorinsky模型、标准k-ε模型模拟该月水温的相应误差为11.1%和8.2%,以混合k-ε湍流模型的误差最小、精度最高;升温期3种模型模拟的纵垂向水温均呈混合状态分布,高温期均呈弱分层状态分布,其中混合k-ε模型模拟水温在水下20m以内出现较为明显的温跃层,与实测水温更为接近。【结论】针对大型深水水库的水温模拟,宜采用混合k-ε湍流模型,其模拟精度高、水温分布更接近实测。

植被内部的风速分布规律和湍流交换特性

本文采用自制的热线微风仪在小麦冠层中观测到的风速梯度资料,对植被内部的风速廓线分布规律及湍流交换特性生进行了研究。结果表明:植被内部风速分布及湍流交换系数较好地符合指数律分布。指数形式为:u(z)=u(H)exp[α_1(z/H)-1)],K_m(Z)=K_m(H)exp[α_2(z/H)-1]。α_1,α_2值并与其他学者所得结果进行了比较。

微重力量值对气液两相流相分布及液相湍流统计量影响的数值研究

气液两相流在空间领域具有广阔的应用前景,深入理解微重力量值(微重力大小)对相分布和液相湍流的影响十分必要.采用欧拉-拉格朗日双向耦合模型深入研究了不同微重力量值对相分布和液相湍流的影响.液相速度场通过直接数值模拟求解,气泡的运动轨迹由牛顿运动方程跟踪.研究表明,气泡分布和液相湍流与微重力量值均具有直接联系.在低微重力量值下,气泡近似均匀分布在槽道内,且对液相湍流统计量几乎没有影响;然而当微重力量值较高时,大量气泡聚集在壁面附近,液相湍流由于气泡的注入受到极大调制.

明渠湍流床面附近跃移层内颗粒浓度垂线分布

本文以动理学理论的 Boltzmann方程为基础 ,考虑明渠湍流床面附近猝发喷射和清扫运动对跃移层内运动颗粒的不同作用 ,分析了明渠中泥沙颗粒浓度垂线分布问题 ,得到了适用于包括跃移层、悬移层在内的统一浓度垂线分布公式。文中着重研究了跃移层内运动颗粒的浓度垂线分布 ,并将本文结果与实测跃移层内浓度垂线分布及实测跃移层顶部浓度进行了对比 。

湍流模型和网格分布对水下航行体回转水动力数值计算的影响

针对水下航行体安全操纵设计的关键环节水动力预报,用FLUENT求解不可压缩RANS方程,采用定常旋转运动坐标系,运用相对运动理论和运动叠加原理,计算RNG k-ε,可实现k-ε和SST k-ε等3种湍流模型以及不同网格分布对水下航行体做单平面回转运动所受垂向力和纵倾力矩,并与试验结果比较.结果表明在Re=11.7×106条件下,垂向力和纵倾力矩预报精度较高.该数值预报方法可行、有效,具有较好的工程实用价值.

气粒两相湍流中颗粒倾向性分布现象的研究

选取平板混合层流动大涡模拟的某一瞬态流场,获得了稳态颗粒倾向性分布现象,并跟随富集区颗粒全轨道,分析了其运动状态沿轨道的变化.发现导致倾向性分布的并轨和轨道分离两种机制。在并轨机制中,不同来源的颗粒被较强涡旋俘获,使向心力和离心力平衡而产生趋同效应,进而发生并轨.在轨道分离机制中,邻近颗粒处于垂向速度方向有较大差异流场中会发生相反偏转,从而产生轨道分离.研究还表明:这些机制只能在跟随性和惯性相对平衡的颗粒中才能发生.

边界层风速和湍流交换系数的铅直分布

应用实测风、温廓线资料,结合边界层数值模式,对全边界层的湍流交换系数K与风速的铅直分布规律进行研究,对由相似理论导出的风廓线对数加多项式近似律进行检验,给出了估算平原地区边界联风速和K值铅直分布的较简便方法。