風(fēng)洞試驗(yàn)與數(shù)值模擬方法微地形風(fēng)場研究

趙永勝，丁杰華，黃傳華

(中國電力工程顧問集團(tuán)中南電力設(shè)計(jì)院有限公司，湖北 武漢 430071)

設(shè)計(jì)風(fēng)速對送電線路的安全性和造價(jià)影響很大。設(shè)計(jì)風(fēng)速偏小會(huì)造成斷線、倒塔等事故，偏大不利于線路的經(jīng)濟(jì)性。山區(qū)風(fēng)場設(shè)計(jì)風(fēng)速的確定向來是難題，《建筑結(jié)構(gòu)荷載規(guī)范》中指出了抬升地形風(fēng)速修正系數(shù)計(jì)算公式，該公式考慮了山體高度、坡度等因素的影響，公式偏于概化，規(guī)范指出埡口、峽谷風(fēng)道等微地形的風(fēng)速修正系數(shù)為1.2～1.5，但該規(guī)范中規(guī)定的風(fēng)速修正系數(shù)范圍太大，具體操作時(shí)取值上限還是下限差別很大，所以無法完全解決此問題，只能作為一種參考。

國內(nèi)外對風(fēng)速的研究主要采用現(xiàn)場實(shí)測、風(fēng)洞試驗(yàn)和數(shù)值模擬三種方法。

現(xiàn)場實(shí)測是風(fēng)場分析研究最準(zhǔn)確的方法，但是現(xiàn)場實(shí)測難度較大，具有代表性的微地形地點(diǎn)不易選取，高大建筑物或者樹木均會(huì)影響實(shí)測的精度，達(dá)到20 m/s的大風(fēng)過程難以捕捉，風(fēng)速儀的維護(hù)費(fèi)用也較高。

數(shù)值模擬是在計(jì)算機(jī)上對物體周圍風(fēng)場進(jìn)行數(shù)值求解(通常稱為計(jì)算流體力學(xué)CFD)，從而仿真實(shí)際的風(fēng)場環(huán)境。數(shù)值模擬方法速度快、成本低、靈活、直觀并且易于理解。數(shù)值模擬在中尺度的大氣數(shù)值模式對局部細(xì)微流場的模擬效果不理想，直接用CFD軟件模擬又受到目前計(jì)算機(jī)計(jì)算能力的限制，所以數(shù)值模擬的精度略低于現(xiàn)場實(shí)測和風(fēng)洞試驗(yàn)。

由于數(shù)值模擬的靈活性及低成本，使該方法成為研究風(fēng)速變化規(guī)律的主要方式，本文采用典型微地形中的抬升地形模型進(jìn)行風(fēng)洞試驗(yàn)和數(shù)值模擬方法研究，對比兩種方法模擬結(jié)果的異同，驗(yàn)證數(shù)值模擬方法的可靠性。

1 模型創(chuàng)建

抬升地形指平原或丘陵中拔地而起的山峰或盆地中一側(cè)較低另一側(cè)較高的臺(tái)地及陡崖，見圖1。

圖1 抬升地形示意圖

根據(jù)圖1創(chuàng)建抬升地形模型，模型迎風(fēng)坡部分采用余弦形山體，物理模型縮尺比為1∶500，模型示意圖見圖2。

圖2 抬升地形模型示意圖

圖2中L為模型寬度，H為山高，Lh為迎風(fēng)坡投影長度的一半。

本文選用不同高度及坡度組合的抬升地形模型進(jìn)行風(fēng)洞試驗(yàn)及數(shù)值模擬研究，各模型參數(shù)見表1。

表1 抬升地形模型參數(shù)取值

2 模型試驗(yàn)結(jié)果

2.1 MODEL1成果分析

MODEL1模型測點(diǎn)x方向位置見圖3，y向位于模型中線上，z方向從離地10 m開始至離地100 m均勻分布10個(gè)測點(diǎn)。

1.2.6 Transwell實(shí)驗(yàn)檢測過表達(dá)miR-454-3p對SW480細(xì)胞侵襲能力的影響 將以無血清細(xì)胞培養(yǎng)液稀釋的Matrigel基質(zhì)膠包被transwell小室基底膜的上室表面,加入100 μL無血清培養(yǎng)基稀釋的各組細(xì)胞懸液,在小室下層孔板中加入含10%血清的完全培養(yǎng)液，置于37℃孵箱培養(yǎng)培養(yǎng)24 h后取出培養(yǎng)小室的,濕棉簽輕輕拭去上層小室內(nèi)的基質(zhì)膠和細(xì)胞，4%多聚甲醛固定后行結(jié)晶紫染色，晾干后，顯微鏡下選5個(gè)視野計(jì)數(shù)穿出細(xì)胞數(shù)目。

圖3 MODEL1模型X方向測點(diǎn)布置圖

MODEL1模型風(fēng)洞試驗(yàn)成果見圖4，數(shù)值模擬成果見圖5。

圖4 MODEL1風(fēng)洞試驗(yàn)成果圖

圖5 MODEL1數(shù)值模擬成果圖

由圖4和圖5分析得到：

(1)山腳的風(fēng)速修正系數(shù)基本均小于1，體現(xiàn)了山體對風(fēng)速的阻擋效應(yīng)；越靠近山腳風(fēng)速修正系數(shù)越小，山體的阻擋效應(yīng)越明顯。

(2)山坡頂點(diǎn)和山頂平臺(tái)的風(fēng)速修正系數(shù)均大于1，體現(xiàn)了山體對風(fēng)速的加速效應(yīng)；相同離地高度山坡頂點(diǎn)的風(fēng)速修正系數(shù)大于山頂平臺(tái)；山頂平臺(tái)測點(diǎn)距山坡頂點(diǎn)越遠(yuǎn)，風(fēng)速修正系數(shù)越小，山體對風(fēng)速的加速效應(yīng)越小。

(3)風(fēng)洞試驗(yàn)得到山腳不同離地高度處風(fēng)速修正系數(shù)相差較??；數(shù)值模擬得到山腳的風(fēng)速修正系數(shù)在海拔30 m以下小于1，體現(xiàn)了山體對風(fēng)速的阻擋效應(yīng)，海拔30 m以上接近1，山體的對風(fēng)速的影響非常有限。

(4)風(fēng)洞試驗(yàn)得到山坡頂點(diǎn)和山頂平臺(tái)的風(fēng)速修正系數(shù)隨離地高度的增加而減小，說明山體的加速效應(yīng)在近地面處最顯著，隨離地高度的增加減弱；數(shù)值模擬得到山坡頂點(diǎn)和山頂平臺(tái)的風(fēng)速修正系數(shù)先增大增加后減小，說明地表粗糙度對風(fēng)場的影響很大。

2.2 MODEL2成果分析

MODEL2模型測點(diǎn)x方向位置見圖6，y向位于模型中線上，z方向從離地10 m開始至離地100 m均勻分布10個(gè)測點(diǎn)。

圖6 MODEL2 X方向測點(diǎn)布置圖

MODEL2風(fēng)洞試驗(yàn)成果見圖7，數(shù)值模擬成果見圖8。

圖7 MODEL2風(fēng)洞試驗(yàn)成果圖

圖8 MODEL2數(shù)值模擬成果圖

由圖7和圖8分析得到：

(1)山腳的風(fēng)速修正系數(shù)基本小于1，體現(xiàn)了山體對風(fēng)速的阻擋效應(yīng)。

(2)山坡頂點(diǎn)和山頂平臺(tái)的風(fēng)速修正系數(shù)均大于1，體現(xiàn)了山體對風(fēng)速的加速效應(yīng)；同海拔高度山坡頂點(diǎn)的風(fēng)速修正系數(shù)大于山頂平臺(tái)處；風(fēng)速修正系數(shù)隨離地高度的增加而減小，說明山頂?shù)募铀傩?yīng)在近地面處最顯著，隨離地高度的增加而減弱。

(3)風(fēng)洞試驗(yàn)得到山腳不同離地高度風(fēng)速修正系數(shù)相差較小；數(shù)值模擬得到山腳風(fēng)速修正系數(shù)隨離地高度的增加而增大，說明山頂?shù)淖钃跣?yīng)在近地面處最顯著，隨離地高度的增加而減弱。

2.3 MODEL3成果分析

MODEL3模型測點(diǎn)x方向位置見圖3，y向位于模型中線上，z方向從離地10 m開始至離地100 m均勻分布10個(gè)測點(diǎn)。

MODEL3風(fēng)洞試驗(yàn)成果見圖9，數(shù)值模擬成果見圖10。

圖9 MODEL3風(fēng)洞試驗(yàn)成果圖

圖10 MODEL3數(shù)值模擬成果圖

由圖9和圖10可見，MODEL3的風(fēng)速修正系數(shù)變化規(guī)律與MODEL1基本一致，說明在坡度(tanα)均為0.1的情況下，山高為50 m和100 m模型的風(fēng)場較一致。

2.4 MODEL4成果分析

MODEL4模型測點(diǎn)x方向位置見圖11，y向位于模型中線上，z方向從離地10 m開始至離地100 m均勻分布10個(gè)測點(diǎn)。

圖11 MODEL4 X方向測點(diǎn)布置圖

MODEL4風(fēng)洞試驗(yàn)成果見圖12，數(shù)值模擬成果見圖13。

圖12 MODEL4風(fēng)洞試驗(yàn)成果圖

圖13 MODEL4數(shù)值模擬成果圖

由圖12和圖13分析得到：

(1)山腳的風(fēng)速修正系數(shù)基本小于1，體現(xiàn)了山體對風(fēng)速的阻擋效應(yīng)；風(fēng)速修正系數(shù)隨離地高度的增加而增大，說明山體的阻擋效應(yīng)在近地面處最顯著，隨離地高度的增加減小。

(2)迎風(fēng)坡半山腰(x/Lh＝－1)風(fēng)速修正系數(shù)接近于1，隨離地高度變化較小，說明半山腰山體對風(fēng)速的影響不大。

(3)迎風(fēng)坡3/4山腰(x/Lh＝－0.5)風(fēng)速修正系數(shù)大于1，體現(xiàn)了山體對風(fēng)速的加速效應(yīng)；說明半山腰以下為阻擋效應(yīng)，半山腰以上為加速效應(yīng)。

(4)迎風(fēng)坡3/4山腰、山坡頂點(diǎn)和山頂平臺(tái)風(fēng)速修正系數(shù)均大于1，體現(xiàn)了山體對風(fēng)速的加速效應(yīng)；風(fēng)速修正系數(shù)隨離地高度的增加而減小，說明山體的加速效應(yīng)在近地面處最顯著，隨離地高度的增加減小；山坡頂點(diǎn)風(fēng)速修正系數(shù)最大，迎風(fēng)坡3/4山腰風(fēng)速修正系數(shù)次大，說明加速效應(yīng)最明顯的位置在山坡頂點(diǎn)，其次為迎風(fēng)坡半山腰以上，再次為山頂平臺(tái)處；山頂平臺(tái)測點(diǎn)距山坡頂點(diǎn)越遠(yuǎn)，風(fēng)速修正系數(shù)越小，山體對風(fēng)速的加速效應(yīng)越小。

(5)風(fēng)洞試驗(yàn)得到山頂平臺(tái)的風(fēng)速修正系數(shù)隨離地高度的增加而減小，說明山體的加速效應(yīng)在近地面處最顯著，隨離地高度的增加減弱；數(shù)值模擬得到山坡頂點(diǎn)和山頂平臺(tái)的風(fēng)速修正系數(shù)先增大增加后減小，說明地表粗糙度對風(fēng)場的影響很大。

3 結(jié)語

本文通過對不同坡度與山高組合的抬升地形模型進(jìn)行風(fēng)洞試驗(yàn)和數(shù)值模擬分析，發(fā)現(xiàn)山體對風(fēng)速既有加速效應(yīng)也有阻擋效應(yīng)。風(fēng)洞試驗(yàn)與數(shù)值模擬兩種方法的成果比較接近，說明數(shù)值模擬方法較可靠。數(shù)值模擬方法近地面處風(fēng)速修正系數(shù)略小于風(fēng)洞試驗(yàn)方法，這即與數(shù)值模型的地面粗糙度取值有關(guān)，也與模型方程近地面的湍流處理方法有關(guān)。