蘭州中川機場周圍地形和建筑物對風(fēng)場的影響研究

蔣立輝　劉曉宇　李　貞　熊興隆　李　猛　陳　星

（1.天津市智能信號與圖像處理重點實驗室中國民航大學(xué)　天津　300300）（2.民航氣象技術(shù)研究所　天津　300300）

1　引言

蘭州中川機場是我國西北地區(qū)最大的民航樞紐機場之一，其年吞吐量接近800～1000萬人次。但機場周邊地區(qū)地形復(fù)雜，且臨近的蘭州新區(qū)處于快速發(fā)展的上升期，城市化建筑群頗具雛形，使復(fù)雜地形的幾何特征更加突出。眾多因素使得機場的氣象環(huán)境條件，尤其是風(fēng)場狀態(tài)十分不穩(wěn)定。區(qū)域下墊面［1］的高低起伏是影響上層風(fēng)場的重要因素之一，復(fù)雜的地形使地面的粗糙程度大大增強，空氣流經(jīng)粗糙的表面比較容易產(chǎn)生紊流從而加劇整個區(qū)域風(fēng)場的擾動，同時使一些不穩(wěn)定的、影響航空安全的氣象情況，如湍流、風(fēng)切變等發(fā)生的概率有所提高。

風(fēng)流經(jīng)粗糙的近地層導(dǎo)致風(fēng)場分布具有高度的非均勻性，由風(fēng)桿、風(fēng)速計等探測方法得到的觀測數(shù)據(jù)具有一定的局限性，不能完全代表局部的風(fēng)場變化情況。因此，選擇用數(shù)值模擬的方法獲得復(fù)雜地形和高層建筑物共存情況下的精細(xì)化風(fēng)場分布，得到的數(shù)據(jù)也比較可靠。常用于空氣動力學(xué)精細(xì)流場計算的計算流體力學(xué) CFD［2～3］（Computational Fluid Dynamics）模式在氣象領(lǐng)域中的應(yīng)用受到越來越多的關(guān)注，尤其是從上世紀(jì)80年代開始，CFD逐步滲透到風(fēng)這一氣象要素的研究領(lǐng)域當(dāng)中。英國倫敦大學(xué)的Vasilic-Melling對二維及三維的立方體建筑物周圍流場進行了數(shù)值模擬；1997年，加拿大學(xué)者Stathopolous［4］對風(fēng)在建筑物表面的作用和建筑物周圍的流場環(huán)境進行了研究；Mochida［5］在流體力學(xué)模擬應(yīng)用于區(qū)域性氣候問題的研究上取得了一定的成果；Paterson和Apelt進一步研究了湍流的k-ε模型，他們認(rèn)為此模型是一種計算三維矩形體表面繞流的簡單有效并且精度高的方法［6］，這一方法在后人的研究中被廣泛選用；2010年李磊等選取了k-ε模型驗證FLUENT應(yīng)用于復(fù)雜地形精細(xì)模擬的可行性［7］。

本文結(jié)合蘭州中川機場周邊的地形地勢、盛行風(fēng)特征以及蘭州新區(qū)規(guī)劃建筑群分布，利用FLUENT流體力學(xué)軟件分析局部6km*6km*0.8km范圍風(fēng)場，分析了地形、建筑物周圍的局部風(fēng)場繞流情況以及兩者對跑道兩端風(fēng)速、風(fēng)向和區(qū)域壓力場的影響，跑道兩端是飛機離場和進場的關(guān)鍵區(qū)域，過程中易受到低空風(fēng)切變的威脅。本文通過分析因此產(chǎn)生的亂流和擾動作用下的風(fēng)場，對探求影響航空安全因素如低空風(fēng)切變發(fā)生的可能性等后續(xù)研究有重要意義。

2　中川機場地形數(shù)字高程模型的建立

2.1　研究區(qū)域概況

蘭州中川國際機場位于永登縣秦王川沖積盆地東南端，馬家山腳下，盆地南北長約42km，東西寬約10～14km，機場四周群山環(huán)抱，北部處于烏鞘嶺起伏山地背風(fēng)坡，西部為祁連山脈，機場海拔高度1947.2m，103°36'E，36°30'N，主跑道為18/36號跑道，跑道全長3600m，寬45m，方向與西部山脈走向一致且北高南低，機場東、北方向10～13km內(nèi)地勢較平坦開闊，西南和西北方向為丘陵地帶，山勢較高［8］，東南方向由于近幾年的經(jīng)濟發(fā)展被劃為蘭州新區(qū)經(jīng)濟區(qū)，其中建筑物的影響不可忽視。

2.2　地形數(shù)據(jù)獲取和模型建立

針對中川機場周圍起伏的山脈和盆地等地形地勢情況，以機場的經(jīng)緯度坐標(biāo)為依據(jù)從網(wǎng)站下載對應(yīng)的地形數(shù)據(jù)文件，導(dǎo)入Global Mapper軟件中進行坐標(biāo)轉(zhuǎn)換，將資料中的經(jīng)緯度坐標(biāo)系轉(zhuǎn)換為UTM（Universal Transverse Mercartor Grid System）平面直角坐標(biāo)系［9］，在軟件中采用選取坐標(biāo)的方法得到目標(biāo)范圍區(qū)域。將得到的DEM（Digital Elevation Model）文件在ArcGIS［10］軟件窗口中打開，進行地形數(shù)據(jù)提取，將柵格坐標(biāo)表示轉(zhuǎn)換為點坐標(biāo)表示并為每個點導(dǎo)入縱向高度z坐標(biāo)，最后導(dǎo)出由無數(shù)個確定坐標(biāo)點表示的目的區(qū)域地形數(shù)據(jù)文件。以此作為原始數(shù)據(jù)通過Matlab軟件生成后綴為.jou［11］的指令文件，載入Gambit即可后臺自動運行生成起伏地形面。

3　實驗方案設(shè)計

3.1　模擬建筑物及網(wǎng)格劃分

蘭州新區(qū)位于中川機場的東南方向，中心區(qū)域相距大約為3km。由于是將復(fù)雜的地形因素和建筑物同時考慮在內(nèi)，常用的數(shù)值模擬模式較難實現(xiàn)，因此選擇簡化建筑物外形的抽象幾何模型方法來降低模擬過程的復(fù)雜度和錯誤率，并參考蘭州新區(qū)土地規(guī)劃總體方案圖示［12］。因固體區(qū)域不進行流動計算，所以先將固體區(qū)域刪除，得到一個有部分缺省的幾何體。

對模型采用非均勻網(wǎng)格劃分的方法，定義線上的網(wǎng)格點數(shù)和分布情況，對建筑物壁面進行局部加密。體網(wǎng)格間距采用30m，網(wǎng)格區(qū)域中邊界處主要生成四面體網(wǎng)格，但在遠(yuǎn)離邊界處可以包含六面體、錐形和楔形網(wǎng)格。劃分完成總共包含了1904049個體積單元網(wǎng)格。

3.2　Fluent求解器及迭代計算

蘭州中川機場的主導(dǎo)風(fēng)向受西北部地勢的影響，主要是從山脈吹來的西風(fēng)。導(dǎo)致威脅航空安全的特征風(fēng)發(fā)生的天氣形勢大致可歸為以下三類：西北氣流型、橫槽型、西風(fēng)槽型。針對這種情況，我們此次模擬的邊界條件設(shè)置為風(fēng)場區(qū)域的西側(cè)面作為入口風(fēng)速面，綜合考慮給予風(fēng)速7.8m/s作為入口的流動參數(shù)值。

空氣作為氣體流體具有粘性特性，在無外界能量補充的情況下，運動的流體將逐漸停止下來，氣流的馬赫數(shù)決定了它具有不可壓縮流動性，因此不需要勾選能量方程［13］，同時考慮6km的模擬區(qū)域尺度范圍，科氏力（Coriolis force）也被忽略。根據(jù)風(fēng)場的以上特點，求解過程選取基于雷諾平均法（Reynolds Average Navier-Stokes，RANS）的標(biāo) 準(zhǔn)k-ε方程紊流模型［14］。利用Fluent軟件的多種求解方法和多重網(wǎng)格加速收斂技術(shù)達(dá)到最佳的收斂速度和求解精度。方便觀察迭代過程，設(shè)置殘差監(jiān)視器，觀察曲線收斂的情況，將迭代次數(shù)增加到50次。

3.3　Tecp lot后處理顯示

在Tecplot軟件的數(shù)據(jù)接口界面，輸入FLUENT軟件中保存數(shù)據(jù)的*.cas和*.dat文件，得到山脈、跑道和建筑物的分布情況如圖1所示。圖中顯示山脈位于跑道的西邊，而蘭州新區(qū)的建筑物則處于跑道的東南方向，基于截取的地形數(shù)據(jù)范圍和抽象建筑物得到的模型，新區(qū)中最近的建筑物距離機場跑道約1km，最遠(yuǎn)的建筑物距離機場跑道約3km。

圖1　Tecplot軟件顯示地形及建筑物模型

4　實驗結(jié)果分析

4.1　風(fēng)場速度分布情況

入口風(fēng)速面選取模型區(qū)域的西側(cè)面，根據(jù)選取的坐標(biāo)系可知水平風(fēng)是沿著Y軸方向的，初始風(fēng)速值設(shè)定為7.8m/s。通過FLUENT求解器計算后，得到整個模型區(qū)域下墊面和出入口面的水平風(fēng)速場分布情況如圖2所示。

如圖2（a）所示，在山脈附近水平風(fēng)速隨山高度的增加而增大；在風(fēng)矢量圖2（b）中，近地層附近的風(fēng)向擾動明顯劇烈，山脈起伏處疏密不均的現(xiàn)象尤其明顯。而在建筑物頂端附近，由于壁面阻擋，水平風(fēng)速減到最小，風(fēng)向沿著壁面向上在垂直方向上增大，且隨著建筑物高度的增加風(fēng)速逐漸增大，導(dǎo)致建筑物的迎風(fēng)面有封閉的小旋渦出現(xiàn)；相鄰建筑物之間，隨著間隔減小，沿Y軸負(fù)向的水平風(fēng)速值增大，在建筑物背風(fēng)面形成對稱的旋渦狀風(fēng)場，這與MIAO Yucong等［15］在模擬中提到的矩形塊背風(fēng)面風(fēng)場分布也相吻合。

圖2　模擬區(qū)域下墊面風(fēng)場分布

取出仿真風(fēng)場中跑道南端附近的水平剖面（X=-1140m），如圖3（a）所示。中川機場跑道位于Y=2450m處，離跑道南端較近建筑物位于Y=3200m處，根據(jù)圖像可以看出：在跑道南端附近，水平風(fēng)速明顯小于周圍環(huán)境的水平風(fēng)速。取出仿真風(fēng)場中跑道北端附近的水平剖面（X=-4560m），如圖3（b）所示。由于建筑物主要集中在跑道的東南方向，所以其對跑道北端水平風(fēng)速的影響不大，而在跑道北端西面的山較高，在山脈附近的水平風(fēng)速值較大，影響范圍到達(dá)1km。考慮到本文中設(shè)定的背景風(fēng)速值限定，在實際情況中，若西側(cè)水平風(fēng)速繼續(xù)增大，則會使跑道北端上空中的水平風(fēng)速大于下方，容易發(fā)生側(cè)風(fēng)切變。

飛機在起降過程中經(jīng)歷高度的變化，不同高度層間風(fēng)速的連續(xù)性是關(guān)鍵因素。在所選取的跑道南北兩端剖面上進一步考慮高度變化帶來的影響。分別取距地高度200m，400m，600m風(fēng)速線，從近山端到近建筑物端的風(fēng)速趨勢如圖4所示，其中坐標(biāo)零點代表所選風(fēng)速線與跑道交點。近地面高度的風(fēng)速線變化較更高處劇烈，變化值可以達(dá)到近0.6m/s，越往高處風(fēng)速變化的更趨于平緩。地形和建筑物對風(fēng)場的影響主要表現(xiàn)在下墊面附近，從一定程度上給飛機的低空飛行安全造成隱患。跑道南端山脈高度低于北端，因此高度線西側(cè)波動不顯著。受距離較近的建筑物影響，使東側(cè)的速度變化較快，而跑道北端離建筑物較遠(yuǎn)，正處于西部較高山脈的背風(fēng)坡下風(fēng)地帶，容易產(chǎn)生風(fēng)速大和變化快的現(xiàn)象。

圖3　跑道南（a）北（b）兩端速度場剖面

圖4　跑道南（a）北（b）兩端各三個高度層風(fēng)速變化

4.2　風(fēng)場氣壓分布情況

本文實驗環(huán)境中的參考壓力設(shè)置為標(biāo)準(zhǔn)大氣壓101325Pa，沒有考慮重力影響和熱交換。壓力值為正表示表面受到壓力作用，壓力值為負(fù)表示表面受到吸力作用，模型區(qū)域的壓力分布情況如圖5所示。

圖5　模擬區(qū)域氣壓場分布

圖6　跑道南（a）北（b）兩端壓力場剖面

近地面跑道處的壓力值大于周邊，山脈處的壓力隨山高度的增加而降低；而在建筑物附近，迎風(fēng)表面受到風(fēng)場的壓力，而頂面和側(cè)面則受到吸力。為分析地形和建筑物對中川機場跑道上空壓力分布的影響，與風(fēng)速場分布情況類似，先選取仿真風(fēng)場中跑道南端附近的水平剖面（X=-1140m），如圖6（a）所示。從圖中可以看出跑道南端附近的建筑物影響了其上方空間中的壓力場分布情況，在相同高度處，跑道上空的壓力值要比兩邊的壓力值大，且隨著高度的增加，水平方向受影響的范圍逐漸減小。接著選取仿真風(fēng)場中跑道北端附近的水平剖面（X=-4560m），如圖6（b）所示。在跑道北端處，建筑物對該處的壓力場分布影響也不大，但位于西側(cè)的山脈使得跑道左側(cè)400m高度以下空間中的壓力值要大于周邊空間中的壓力值。結(jié)合以上分析可以看出地形和建筑物對風(fēng)速和氣壓產(chǎn)生了不同的影響，共同作用在跑道上，地形起伏在北端影響明顯，建筑群形成的低風(fēng)速區(qū)和高壓力區(qū)覆蓋了跑道南端的區(qū)域，可由此進一步分析其中包含的誘發(fā)風(fēng)切變的潛在因素。

5　結(jié)語

本文以蘭州中川機場為中心選定區(qū)域，模擬了復(fù)雜地形和建筑物共存情況下的風(fēng)場情況，得到分辨率為30m的較精細(xì)化風(fēng)場。分析了粗糙的地形環(huán)境與高層建筑物所引起的風(fēng)速風(fēng)向和壓力的變化，山脈的影響體現(xiàn)在山頂附近風(fēng)速較大，氣壓較低，而建筑物的影響主要體現(xiàn)在壁面附近，導(dǎo)致局部亂流擾動增加。著重分析了跑道兩端的風(fēng)場速度和壓力變化情況，其中山脈的存在對跑道北端的風(fēng)場影響較大，而建筑物對跑道南端風(fēng)場影響大，且均存在誘發(fā)風(fēng)切變等危險因素發(fā)生的可能。因此，本次模擬為探測和預(yù)警風(fēng)切變研究做了基礎(chǔ)和鋪墊，進而對航空安全中氣象要素風(fēng)險評估工作具有參考價值。文中僅考慮了風(fēng)場的動力作用，忽略了地面和建筑物熱交換對風(fēng)場的影響，有進一步研究的價值。

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