汽车在环境风洞内流场的数值模拟与实验研究

为研究汽车在环境风洞内的流场特性,建立了环境风洞和整车数值模型,考虑了风洞喷口和收缩段的阻塞效应、边界层抽吸以及实验设施等对汽车流场的干扰效应,对环境风洞内汽车前方、车身和车轮周围、冷却模块以及机舱内的流场进行了数值模拟。对车身表面的静压以及车身周围和车底部的风速等进行测试,通过数值模拟结果与实验结果的对比,表明数值风洞能准确预测汽车在环境风洞内的流场特性。研究结果显示:汽车前端气流的速度分布沿着气流方向发生显著变化,越接近前端冷却模块时风速的均匀性变得越差;汽车底部气流受地面、车底和轮胎旋转等的共同影响呈现规律性的变化,车底风速沿车身纵向先增大后减小。本方法对研究汽车在环境风洞内的热气动性能以及开发数值风洞提供了新的思路和参考。

台风“山竹”降水非对称特征及其与环境流场的相互作用研究

基于卫星降水数据和再分析资料,识别了台风“山竹”的降水非对称特征及其与垂直风切变的相关性,并进一步使用WRF模式数值模拟探究了非对称降水引发的热带气旋内部动力过程对环境流场的反馈作用。(1)台风“山竹”降水分布表现出明显的非对称性,强降水主要集中在南侧,而台风的平均风切变指向西南侧,强降水总是位于顺风切变的左侧。(2)台风发展初期风切变指向强降水方位,之后逆时针旋转并不断增大,转至指向南侧时达到最大值,之后逐渐减小。(3)非对称降水位置的改变伴随着非对称风场的改变,并影响着非对称温压场变化,而温压场的变化又进一步改变非对称风和降水,所以台风与环境流场存在着相互影响的反馈关系。

大型甲醇池火的泡沫叠加灭火试验研究

通过大尺度池火灭火试验,验证了泡沫叠加灭火法在大型甲醇池火灭火过程中的实际效果,主要考虑了风向、泡沫混合液供给强度对泡沫铺展效果和灭火速率的影响,同时分析了泡沫叠加灭火机制,试验过程由测温、摄像设备全程记录。结果表明,AFFF/AR叠加灭火适用于甲醇池火扑救;AFFF/AR混合液供给强度越大、顺风风力越大,泡沫铺展越快、灭火速率越高;在灭火过程中,适当降低AFFF/AR混合液供给强度能提升泡沫原液灭火效能并减少环境污染。

环境风影响下换流变压器空冷系统换热性能研究

针对北方地区某高压直流输电换流站,建立了换流变压器空冷系统以及周围建筑物的计算流体动力学仿真模型,研究了不同环境风向和风速影响下空冷系统换热性能的变化规律。研究结果表明:由于周围建筑物的影响,空冷系统的换热性能在不同的环境风向下均有所衰减。当风向为W、风速为6m/s时,环境风流动方向与风机进气方向相反,极1和极2换流变空冷系统的换热能力衰减最为严重,分别下降了38%与40%。在高风速占比最多的NW28°风向下,环境风速逐渐升高时换热器上方的涡旋随着风向移动,迎风侧换热器出口高温气流回流至其他换热器入口;处于迎风侧的变压器2F换热器换热量最低,沿着环境风的运动方向不同位置换热器换热量呈现先升高后降低的趋势。研究结果为深入理解环境风影响下空冷系统换热性能的变化规律提供了理论依据,也为设计适应真实场景的变压器空冷系统提供了技术支撑。

涡旋结构和环境场对台风“黑格比”(2020)强度变化的影响

为进一步认识影响台风强度预报的因素,提升对台风最大强度预报的能力,利用高精度集合模拟试验对2020年第4号台风“黑格比”的发展增强过程进行了分析,探讨了初期涡旋和大尺度环境背景对台风最大强度的影响。结果表明:描述初期台风涡旋特征的10 m最大轴对称切向风、最大风速半径附近及其外侧低层的轴对称切向风和入流以及涡旋的丰满度均与台风最大强度有较好的相关:最大轴对称切向风能够更早且更准确地指示台风最大强度;最大风速半径附近及其外侧低层的轴对称切向风和入流越强,其伴随的向台风内核区输入的角动量越大,台风的最大强度也越强;初期台风涡旋的丰满度与最大强度的相关远高于外围风圈和最大风速半径与最大强度的相关,意味着对于小台风“黑格比”而言,只要初期涡旋丰满度大,其最大强度也会很强。“黑格比”的最大强度与其西侧“森拉克”台风和东侧副热带高压也密切相关,若这两者都偏强,不仅使得“黑格比”引导气流的向北分量偏强,导致台风快速北移受到干空气影响,还会使得“黑格比”的环境风垂直切变增大,不利于台风达到更强的最大强度。对于这类台风而言,初始涡旋结构和邻近台风及副热带高压的准确描述是提高台风最大强度预报能力的重要前提。

气固两相流风洞内颗粒运动特性研究

对气固两相流风洞试验段的两相三维流场进行了数值模拟。对于两相流采用欧拉双流体模型,计算时选取标准k-ε两方程模型。模拟结果表明:试件迎风面和背风面颗粒浓度较大,但背风面粒子分布梯度随流速变化更明显;背风面区域由于重力作用,粒径越大的颗粒沉积越显著;试件迎风面颗粒沉积总量受粒径和流速的影响较大,但背风面沉积量受到的影响不明显。研究结果有助于分析两相流风洞中的流动特征,并能根据颗粒分布情况合理采取回收措施,为进行砂尘环境试验提供参考。

环境风洞中流动的PIV测量

对ＤＡＮＴＥＣＦｌｏｗ Ｍａｐ ＰＩＶ 系统作了介绍，并将其应用于环境风洞流场测量。结果表明，ＰＩＶ 技术是研究非定常流动的一种很有效的工具。

风浪扰动条件下沉水植物对水流结构及底泥再悬浮的影响

太湖底泥在风浪条件下的再悬浮及其与上覆水体之间污染物的释放扩散特性研究越来越受到国内外学者的重视，但水生植物的影响机制还有待深入研究。在鼓风式环形水槽种植天然沉水植物苦草，利用三维声学多普勒流速仪ADV研究水流特性，用悬浮颗粒物SPM质量浓度表征底泥再悬浮量，分析不同风速条件下沉水植物水流结构的变化及对底泥再悬浮的抑制作用。结果表明，在大风（8.78 m/s）、中风（5.95 m/s）、小风（3.21 m/s）扰动作用下，对照组水槽中水流结构均服从指数分布，且距离水体表层10 cm以内区域流速受风速的影响最明显，垂向变化梯度最大，随水深增加，变化梯度逐渐减小。试验组有沉水植物的水槽水流流速均小于对照组流速，水流结构明显改变，植物有效高度内流速变化缓慢，大、中、小风情况下分别稳定在0.7 cm/s、1.5 cm/s、2.1 cm/s左右；植物层以上区域流速变化梯度则较大，特别是在中风情况下，从1.7 cm/s增加到9.35 cm/s，增加了4.5倍。同时，沉水植物对底泥再悬浮有显著抑制作用，上覆水悬浮物质量浓度降低了90%以上，并最终保持在6.3~13.3 mg/L的低质量浓度状态。

直接空冷凝汽器加装导流叶栅的性能分析

直接空冷凝汽器换热性能易受环境风的影响。以某600 MW机组中单列空冷单元为例,建立了环境风对直接空冷凝汽器换热性能影响的数值分析模型,得到了加装导流叶栅后空冷单元的流场特性,计算了加装导流叶栅对空冷凝汽器换热性能的影响。结果表明,加装导流叶栅明显缩小了空冷单元风机入口处负压区的范围,进而提升了风机效率,当风速为6 m/s时,a1单元风机效率提高了17.5%;加装导流叶栅还能降低各空冷单元风机入口平均温度,当风速为12 m/s时,a1单元风机入口平均温度下降了3.7℃。因此,加装导流叶栅使得各空冷单元的换热性能得到大幅提升,当风速为12 m/s时,整列空冷单元的换热效率升高了14%。所得结论为改善环境风工况下直接空冷凝汽器的性能提供了参考。

防护林带:湍流的数学模型与计算机模拟

虽然防护林用于减小风速、控制热量和水汽传递及污染物扩散、改善气候与环境、增加作物产量等已经有几百年了,但直到近几十年,人们才开始系统地研究防护林空气动力学的遮蔽机制.在本综述中,我们考察了绕防护林带的流动与湍流控制机制,最新的模型与数值模拟研究情况;通过数值模拟与实验数据的比较,来了解防护林带结构与防风效果之间的关系;讨论数值分析如何及为什么能够得到所需要的结果.本文将从多孔隙防护林带流动基本方程组的推导开始,讨论数值模型及模拟过程,对附体与分离流动进行预测;分析了遮蔽机制与动量交换;对风向、防护林密度、宽度和三维性对流动与湍流的影响作了系统的论述.还对热流和土壤水分蒸发的新模型及数值模拟作了简述.最后,我们对网络工作站、群和高性能分布式并行计算机及其对防护林带模型预报能力的提高作了讨论.

隧道竖井外流场模拟及风塔外型结构优化研究

为提高长大隧道施工及运营通风过程中竖井通风效率,实现隧道节能通风。依托实际隧道工程,基于Fluent软件,选用RNG k-ε湍流模型,对无竖井风塔、圆柱风塔、矩形风塔和凸台状风塔4种结构、不同环境风速工况下的流场进行数值模拟,并对模拟结果进行交叉比对分析,提出最优化的竖井风塔结构形式。研究结果表明:采用风塔结构竖井出流量要远大于无风塔结构竖井出流量;对于不同竖井风塔外型结构,竖井出流量与环境风速关系呈多项式函数;当倾斜角为45°、圆心角为90°时,凸台结构对应竖井出流量最大,且受环境风影响波动较小,通风稳定性较好。建议竖井出口结构选用矩形或凸台状,实现对环境风的高效利用,提高竖井通风效率。

变风速条件下微型植物工厂传感器优化布置

针对植物工厂内部传感器依据经验布置的局限性,并且缺乏普适性和理论基础的问题,为实现传感器最优布置,提出一种基于计算流体力学的方式。参照实物模型相关参数和合理的假设条件,通过设置监测点对微型植物工厂内部环境进行仿真,对单热源和监测点位置进行仿真及分析,根据模拟结果分析获得最佳热源位置。在此研究基础上通过调整不同风速、分析仿真数据,确定适合不同风速下的传感器最优布置面,为微型植物工厂中的植物生体信息检测提供更为精确的测量条件。

台风“苏拉”登陆福建后降水的非对称成因分析

利用常规天气资料、NCEP再分析资料、卫星云图、新一代天气雷达等资料,分析了2012年第9号台风"苏拉"降水预报失败的原因及其暴雨成因。结果表明:此次台风暴雨预报失败的主要原因在于预报过程中没有关注台风垂直结构的改变及其对降水落区的影响。"苏拉"台风暴雨是在中高纬稳定的环流形势下发生的,低层到高层引导气流的变化导致"苏拉"高层风暴中心向南倾斜;环境风垂直切变导致了台风降水的非对称分布,环境风垂直切变方向的左侧是强降水发展的区域;此外,随着台风环流中心在垂直方向发生偏移,改变了涡度平流的垂直分布,从而导致了福建省南部的暴雨。因此关注登陆台风中心在垂直方向的偏移对台风降水预报非常重要。

台风“罗莎”低空流场与降水中尺度结构的观测资料分析

为了进一步了解台风的水平风场结构和降水雨带的分布特征与台风强度变化的关系,利用观测资料和多普勒天气雷达探测资料对0716号台风"罗莎"的降水云系、反演的水平风场和雷达回波进行分析,结果显示:(1)在台风减弱为强热带风暴以前,低空卷入台风中心的强回波带开始出现分裂;减弱为热带风暴时,低空的强回波带出现明显的分离和断裂。雷达探测的向台风中心卷入的低空强回波带的分离和断裂,可以为台风减弱预报提供参考。(2)多普勒雷达探测资料反演的低空水平风场分析显示,虽然所处的环境风场截然相反,我国和美国两地区的热带气旋在低空存在相似的中尺度流场结构。我国东南沿海即将登陆的台风的西南侧外围与环境风场的交汇处,存在一处气流汇合带和气流辐散带,气流汇合带对应台风南侧的强降水中心。(3)通过多普勒雷达反演的低空水平风场与强度回波的叠加分析显示:台风的螺旋雨带与反演的低空水平风场的中尺度风切变线对应。这种中尺度切变在常规观测中难以发现。

山体绕流和尾流区气态污染物输送扩散规律的研究

采用瞬时烟线仪与迪沙(DISA)热线风速仪相结合的方法探测了山体的绕流区和尾流区结构。试验结果表明,山体的绕流和尾流对低架源排放的气态污染物扩散影响甚大,山体绕流可改变烟流的地面浓度分布.结果还表明,我们所用的探测流向的方法较为有效和准确.

挡风墙设置对高海拔施工隧道出口出流的影响

在隧道出口前端设置不同型式的风挡,采用CFD方法,对隧道出口附近流场进行数值模拟研究。研究表明:迎风隧道口前端设置风挡对隧道出流排污起到积极促进作用;在环境风速低于5.5 m/s时,直板风挡对出流效果最佳;外环境风速越大,风挡后端隧道出口压力值越小,且与风速呈二项式关系变化。

埋地式离心鼓风横流冷却塔在地铁工程中的应用研究

根据地铁站的风道及出入口的结构特点,设计了一种新型离心鼓风横流式侧出风冷却塔,水流从塔上部竖直落下,空气由离心风机压入后水平通过淋水填料后从侧面排出。通过模拟地下风道环境并对该塔型进行热力性能实验,发现在不同的湿球温度下都能满足所需性能要求。从设置方案、环境影响、能耗、设备投资等方面与常规冷却塔和蒸发冷凝式冷水机组进行了比较,结果表明,该塔型占地少、投资省、景观效果好、噪声低,更加节能环保。

直接空冷机组单风道地下进风数值分析

地上进风直接空冷机组受环境风影响,边缘风机出现热风回流和"倒灌"现象,使机组换热效率降低、凝汽器压力升高,为此提出了单风道地下进风的冷却方式。利用数值模拟Fluent软件,对某600 MW机组空冷岛外部流场进行了数值模拟,分析地下进风方式下风机通风量、机组换热效率和凝汽器压力受环境风影响情况,并与地上进风方式相比较。实验结果表明,采用地下进风方式极大地提高了凝汽器的换热效率,使凝汽器压力维持在较低且平稳的状态,保证机组安全经济运行。

基于发电效益与环境成本的含风电场电力系统最优潮流问题的研究

风电,作为一种新型可再生能源,具有安全、永续、清洁等特点,未来在电力系统中所占比重将会越来越大。我国风力发电发展速度迅猛,但风电消纳、大规模风电并网等复杂的系统性问题依旧存在。随着学者们对风电场中闪变、无功补偿、低电压穿越、虚拟同步机等问题不断深入研究,火力灵活发电和新能源相结合将成为新趋势。为了更加凸显风电作为新能源的环境价值,本文建立基于发电效益与环境成本的含风电场电力系统最优潮流模型。在基于BP神经网络风电功率预测的基础上,本文首先对风电机组、火电机组进行建模,并将风电弃风损失、风电并网引起的备用容量升高、火电厂环境污染等指标作为目标函数,对电力系统潮流进行优化,进而使得风电场电力系统生产安排更具合理性,也同时凸显风电作为清洁能源的价值。