風洞試驗與數值模擬方法微地形風場研究

趙永勝，丁杰華，黃傳華

(中國電力工程顧問集團中南電力設計院有限公司，湖北 武漢 430071)

設計風速對送電線路的安全性和造價影響很大。設計風速偏小會造成斷線、倒塔等事故，偏大不利于線路的經濟性。山區風場設計風速的確定向來是難題，《建筑結構荷載規范》中指出了抬升地形風速修正系數計算公式，該公式考慮了山體高度、坡度等因素的影響，公式偏于概化，規范指出埡口、峽谷風道等微地形的風速修正系數為1.2～1.5，但該規范中規定的風速修正系數范圍太大，具體操作時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。

國內外對風速的研究主要采用現場實測、風洞試驗和數值模擬三種方法。

現場實測是風場分析研究最準確的方法，但是現場實測難度較大，具有代表性的微地形地點不易選取，高大建筑物或者樹木均會影響實測的精度，達到20 m/s的大風過程難以捕捉，風速儀的維護費用也較高。

數值模擬是在計算機上對物體周圍風場進行數值求解(通常稱為計算流體力學CFD)，從而仿真實際的風場環境。數值模擬方法速度快、成本低、靈活、直觀并且易于理解。數值模擬在中尺度的大氣數值模式對局部細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算機計算能力的限制，所以數值模擬的精度略低于現場實測和風洞試驗。

由于數值模擬的靈活性及低成本，使該方法成為研究風速變化規律的主要方式，本文采用典型微地形中的抬升地形模型進行風洞試驗和數值模擬方法研究，對比兩種方法模擬結果的異同，驗證數值模擬方法的可靠性。

1 模型創建

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

圖1 抬升地形示意圖

根據圖1創建抬升地形模型，模型迎風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行風洞試驗及數值模擬研究，各模型參數見表1。

表1 抬升地形模型參數取值

2 模型試驗結果

2.1 MODEL1成果分析

MODEL1模型測點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個測點。

1.2.6 Transwell實驗檢測過表達miR-454-3p對SW480細胞侵襲能力的影響 將以無血清細胞培養液稀釋的Matrigel基質膠包被transwell小室基底膜的上室表面,加入100 μL無血清培養基稀釋的各組細胞懸液,在小室下層孔板中加入含10%血清的完全培養液，置于37℃孵箱培養培養24 h后取出培養小室的,濕棉簽輕輕拭去上層小室內的基質膠和細胞，4%多聚甲醛固定后行結晶紫染色，晾干后，顯微鏡下選5個視野計數穿出細胞數目。

圖3 MODEL1模型X方向測點布置圖

MODEL1模型風洞試驗成果見圖4，數值模擬成果見圖5。

圖4 MODEL1風洞試驗成果圖

圖5 MODEL1數值模擬成果圖

由圖4和圖5分析得到：

(1)山腳的風速修正系數基本均小于1，體現了山體對風速的阻擋效應；越靠近山腳風速修正系數越小，山體的阻擋效應越明顯。

(2)山坡頂點和山頂平臺的風速修正系數均大于1，體現了山體對風速的加速效應；相同離地高度山坡頂點的風速修正系數大于山頂平臺；山頂平臺測點距山坡頂點越遠，風速修正系數越小，山體對風速的加速效應越小。

(3)風洞試驗得到山腳不同離地高度處風速修正系數相差較小；數值模擬得到山腳的風速修正系數在海拔30 m以下小于1，體現了山體對風速的阻擋效應，海拔30 m以上接近1，山體的對風速的影響非常有限。

(4)風洞試驗得到山坡頂點和山頂平臺的風速修正系數隨離地高度的增加而減小，說明山體的加速效應在近地面處最顯著，隨離地高度的增加減弱；數值模擬得到山坡頂點和山頂平臺的風速修正系數先增大增加后減小，說明地表粗糙度對風場的影響很大。

2.2 MODEL2成果分析

MODEL2模型測點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個測點。

圖6 MODEL2 X方向測點布置圖

MODEL2風洞試驗成果見圖7，數值模擬成果見圖8。

圖7 MODEL2風洞試驗成果圖

圖8 MODEL2數值模擬成果圖

由圖7和圖8分析得到：

(1)山腳的風速修正系數基本小于1，體現了山體對風速的阻擋效應。

(2)山坡頂點和山頂平臺的風速修正系數均大于1，體現了山體對風速的加速效應；同海拔高度山坡頂點的風速修正系數大于山頂平臺處；風速修正系數隨離地高度的增加而減小，說明山頂的加速效應在近地面處最顯著，隨離地高度的增加而減弱。

(3)風洞試驗得到山腳不同離地高度風速修正系數相差較小；數值模擬得到山腳風速修正系數隨離地高度的增加而增大，說明山頂的阻擋效應在近地面處最顯著，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個測點。

MODEL3風洞試驗成果見圖9，數值模擬成果見圖10。

圖9 MODEL3風洞試驗成果圖

圖10 MODEL3數值模擬成果圖

由圖9和圖10可見，MODEL3的風速修正系數變化規律與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模型的風場較一致。

2.4 MODEL4成果分析

MODEL4模型測點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個測點。

圖11 MODEL4 X方向測點布置圖

MODEL4風洞試驗成果見圖12，數值模擬成果見圖13。

圖12 MODEL4風洞試驗成果圖

圖13 MODEL4數值模擬成果圖

由圖12和圖13分析得到：

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

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

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

(4)迎風坡3/4山腰、山坡頂點和山頂平臺風速修正系數均大于1，體現了山體對風速的加速效應；風速修正系數隨離地高度的增加而減小，說明山體的加速效應在近地面處最顯著，隨離地高度的增加減小；山坡頂點風速修正系數最大，迎風坡3/4山腰風速修正系數次大，說明加速效應最明顯的位置在山坡頂點，其次為迎風坡半山腰以上，再次為山頂平臺處；山頂平臺測點距山坡頂點越遠，風速修正系數越小，山體對風速的加速效應越小。

(5)風洞試驗得到山頂平臺的風速修正系數隨離地高度的增加而減小，說明山體的加速效應在近地面處最顯著，隨離地高度的增加減弱；數值模擬得到山坡頂點和山頂平臺的風速修正系數先增大增加后減小，說明地表粗糙度對風場的影響很大。

3 結語

本文通過對不同坡度與山高組合的抬升地形模型進行風洞試驗和數值模擬分析，發現山體對風速既有加速效應也有阻擋效應。風洞試驗與數值模擬兩種方法的成果比較接近，說明數值模擬方法較可靠。數值模擬方法近地面處風速修正系數略小于風洞試驗方法，這即與數值模型的地面粗糙度取值有關，也與模型方程近地面的湍流處理方法有關。