基于近地面流场的风吹雪雪害成因与预警研究

基于近地面流场的风吹雪雪害成因与预警研究

风雨雪害是中国常见的雪害之一，主要分布在高纬度、高海拔和地形起伏变化的稳定雪带。冬季受西伯利亚寒流和蒙古国高压的影响,气候干燥,低温、风速大,冬季降雪频繁等因素的影响,内蒙古现有公路6.9万km,其中县以上公路4.5万km,新疆现有公路8.1万km,其中县以上公路3.6万km,吉林现有公路4万km,其中县以上公路2万多km,黑龙江省现有公路6万km,其中县以上公路2万多km,由于产生公路风吹雪雪阻导致一条或几条公路互相不能畅通,甚至造成交通中断几天,造成大量旅客滞留、货物积压,给西部经济建设和工农业生产以及人民的日常生活带来严重影响,为了抢险保通,每年交通部门都要花费大量的人力、物力和财力。公路风吹雪雪害已是长期困扰公路运输的一个难题。公路风吹雪雪害成因与预警研究就从成因与机理入手,通过掌握公路风吹雪雪害形成的主要因素和各地区的天气预报预测公路风吹雪雪害产生的地段规模与时间进行警示,同时为公路风吹雪雪害的防治提供理论基础。1建立雪粒运动方程风雪流是非典型的二相流,风吹雪雪害是否发生以及灾害程度与公路路段的近地面流场(速度矢量和压力)的分布有着密切关系。因此,根据流体力学理论,研究易发生雪害路段的近地面流场分布特性,找出风吹雪雪害发生的原因。应用流体力学的欧拉观点建立有旋粘性流体动力学方程。具体方程如下ᐁ·V=0上式展开为DViDt=gi−1ρ∂p∂xi+2μρ∂∂xiεijDViDt=gi-1ρ∂p∂xi+2μρ∂∂xiεij在直角坐标系展开为∂u∂t+u∂u∂x+v∂u∂y+w∂u∂z=gx−1ρ∂p∂x+μρ(∂2u∂x2+∂2u∂y2+∂2u∂z2)∂v∂t+u∂u∂x+v∂u∂y+w∂u∂z=gy−1ρ∂p∂y+μρ(∂2u∂x2+∂2u∂y2+∂2u∂z2)∂w∂t+u∂u∂x+v∂u∂y+w∂u∂z=gz−1ρ∂p∂z+μρ(∂2u∂x2+∂2u∂y2+∂2u∂z2)∂u∂t+u∂u∂x+v∂u∂y+w∂u∂z=gx-1ρ∂p∂x+μρ(∂2u∂x2+∂2u∂y2+∂2u∂z2)∂v∂t+u∂u∂x+v∂u∂y+w∂u∂z=gy-1ρ∂p∂y+μρ(∂2u∂x2+∂2u∂y2+∂2u∂z2)∂w∂t+u∂u∂x+v∂u∂y+w∂u∂z=gz-1ρ∂p∂z+μρ(∂2u∂x2+∂2u∂y2+∂2u∂z2)根据不同断面形式下,流场的分布特点,应用力学中二相流(气-固)理论,依据经典力学方程和拉格朗日观点建立个体雪粒运动方程为∂uP∂t=FD(u−uP)+g(ρP−ρ)ρP+FC∂uΡ∂t=FD(u-uΡ)+g(ρΡ-ρ)ρΡ+FC2粘性力与雷诺数的特性相似根据相似理论,用缩小的模型在风洞中再现实际大气边界层和风雪流的运动特性,故要求试验满足一定的现象相似条件,主要包括几何相似、运动相似、动力相似。其中几何相似是前提,动力相似是关键,运动相似是表象。通过对试验目的及影响因素进行深入分析与研究,认为粘性力是本次试验应重点考虑的物理参数,从而确定应首先保证两个系统的雷诺数一致。经分析,试验流体的雷诺数在105～106之间,已经达到自模拟区,其特点是随着速度的增大,阻力系数基本不变,因此,可直接采取实际的风速。至于粒子的雷诺数,由于其非常小,对流场的影响较小,在此不予与考虑。3非定常流动测量由于传统测量技术的局限性,我们经过调查分析后认为可把PIV作为精确测量风吹雪风洞试验复杂流场的定量工具;把PDA作为测量流场的速度分布和粒子浓度的空间分布,以及获取输雪量、输雪率等信息的工具。利用先进的粒子图像测速技术PIV,它可以实现对非定常流动进行整场、瞬时、非接触定量测量。它完全突破了空间单点测量技术的局限性,可在同一时刻记录下整个测量平面的有关信息,从而可以获得流动的瞬时平面速度场、脉动速度场、涡量场和雷诺应力分布等。非常适于研究涡流、湍流等复杂的流动结构的测量,是一种可靠的整体测量技术。PDA——相多普勒颗粒动态分析仪也是一种非接触的测试方式,它既不影响流场也不影响粒子,是当今测量颗粒动态特性的最先进的工具之一。它可以在不干扰流场的基础上,同时采集气固两相速度和颗粒粒径信号,进而可以分析出时间、空间内的颗粒浓度分析、两相滑移速度、各种脉动指数和湍动能分布等。因此,利用PDA测量风吹雪风洞试验中气固两相的速度、颗粒粒径分布及垂直高度和水平距离颗粒浓度分布规律是很好的选择。4fluen网格技术众所周知,实地观测和风洞试验是研究风雪流的最佳途径。但由于受到季节和资金等条件的限制,不能较为详细和系统的研究风雪流的形成机理。近些年来,“数值风洞”应运而生,它不受时间和场地的限制,并节省了大量资金。弥补了实地观测和风洞试验的不足。FLUENT是FLUENT公司的通用CFD求解器,它采用结构化网格和控制体积方法。可以解决从不可压缩流到中等程度的可压缩流动问题,特别适合于解决几何较为简单,但物理现象特别复杂的流动问题。FLUENT主要用来求解不可压缩流动和中等可压缩性的流动问题。FLUENT基于压力修正的非耦合算法,并采用了多重网格技术。对很多复杂的流动现象,FLUENT的收敛速度快、精度高。目前,FLUENT采用结构化的四边形/六面体网格,对湍流、传热、多相流、化学反应和燃烧等复杂现象提供了丰富、有效的物理模型。FLUENT是用于模拟具有复杂外形的流体流动以及热传导的计算机程序。它提供了完全的网格灵活性,你可以使用非结构网格,例如二维三角形或四边形网格、三维四面体/六面体/金字塔形网格来解决具有复杂外形的流动。甚至可以用混合型非结构网格。它允许你根据解的具体情况对网格进行修改(细化/粗化)。对于大梯度区域,如自由剪切层和边界层,为了非常准确的预测流动,解适应网格是非常有用的。与结构网格和块结构网格相比,这一特点很明显地减少了产生“好”网格所需要的时间。对于给定精度,解适应精炼方法(solution-adaptiverefinement)使网格精炼方法变得很简单,并且减少了计算量。其原因在于:网格精炼仅限于那些需要更多网格解的区域。FLUENT是用C语言写的,因此具有很大的灵活性与能力。因此,动态内存分配,高效数据结构,灵活的解控制都是可能的。除此之外,为了高效的执行,交互的控制,以及灵活的适应各种机器与操作系统,FLUENT使用client/server结构,因此它允许同时在用户桌面工作站和强有力的服务器上分离地运行程序。在FLUENT中,解的计算与显示可以通过交互界面,菜单界面来完成。用户界面是通过Scheme语言及LISPdialect写就的。高级用户可以通过写菜单宏及菜单函数自定义及优化界面。5动网格的计算域在风雪流中,雪的堆积是随着风和时间的变化而变化的,也就是说,风雪流的计算域是不断发生变化的。而在以往的流体力学计算方法和计算软件中,流体的计算域是不能发生变化的,只能预设时间步,粗略估计计算域变化的位置和高度。FLUENT公司新近推出的FLUENT6.1中,增加的动网格技术恰好能够解决这个难题。这种技术能够随着化学变化和物理变化实时改变计算域,大大提高了求解的精度。6基于多相流模型的fluen模型在前面的分析中,已经得出风雪流是非典型的二相流。因此,必须用到多相流模型。在FLUENT中,是采用逐步迭代的方法来研究各相之间的相互作用的。FLUENT提供了多种多相流模型,根据实际研究问题的情况,确定多相系统的流动模式,并选择多相流模型。7颗粒群与可能的耦合过程除了求解连续相的输运方程,FLUENT也可以在拉氏坐标下模拟流场中离散的第二相。由球形颗粒(代表液滴或气泡)构成的第二相分布在连续相中。FLUENT可以计算这些颗粒的轨道以及由颗粒引起的热量/质量传递。相间耦合以及耦合结果对离散相轨道、连续相流动的影响均可考虑进去。FLUENT可以模拟各种涉及离散相的问题,诸如:颗粒分离与分级、喷雾干燥、气溶胶扩散过程、液体中气泡的搅浑、液体燃料的燃烧以及煤粉燃烧。对于湍流中的颗粒,FLUENT采用随机轨道模型或颗粒群模型可考虑颗粒湍流扩散的影响。在随机轨道模型中,通过应用随机方法来考虑瞬时湍流速度对颗粒轨道的影响。而颗粒群模型则是跟踪由统计平均决定的一个“平均”轨道。颗粒群中的颗粒浓度分布假设服从高斯概率分布函数。两种模型中,颗粒对连续相湍流的生成与耗散均没有直接影响。8动态-脉动方程模拟湍流流动的特征就是速度场是脉动的。速度的脉动使得输送量