風(fēng)洞試驗與數(shù)值模擬

1、風(fēng)洞試驗與數(shù)值模擬北京大學(xué)在數(shù)值模擬方面的技術(shù)進展 一 科學(xué)研究的方法： 人類在認識自然、認識科學(xué)的過程中，曾經(jīng)創(chuàng)造出了兩種方法，即：理論研究和實驗研究。理論研究得出的結(jié)論，要經(jīng)過嚴格的論證，這是十分必要的，但在工程實踐中卻難以應(yīng)用。實驗研究，結(jié)論清晰、直觀，也就是俗話說的“看得見，摸的著”，但它的局限性太大，因而應(yīng)用范圍有限。 上世紀四十年代，電子計算機的橫空出世，改變了人類的生活和思想。隨著近年來計算機軟硬件技術(shù)的突飛猛進，以前大量無法解決的工程實際問題，已經(jīng)可以用新的計算方法來加以解決了。因此，第三種科學(xué)研究的方法發(fā)展出來了，那就是計算科學(xué)的方法（或稱為數(shù)值模擬、數(shù)值計算）。它不僅具有理

2、論研究的嚴謹性，又具有實驗研究的直觀性，更加具備極其廣泛的應(yīng)用范圍。如今，計算科學(xué)在科學(xué)研究中所占的比重越來越大，并必將成為今后科學(xué)技術(shù)發(fā)展的主流。二 什么是“風(fēng)洞試驗”： 風(fēng)洞，從外觀上看酷似一座洞，它是通過產(chǎn)生出可人工控制的氣流，對試驗?zāi)Ｐ椭車臍怏w的流動進行模擬，并可量度氣流對物體的作用，以及觀察流動現(xiàn)象的一種管道狀試驗設(shè)備。 而風(fēng)洞試驗，是實驗研究工程問題的一種方法。它是依據(jù)運動的相對性原理，將試驗原型同比縮小的模型固定在風(fēng)洞中，人為制造氣流流過，獲取各測試點的試驗數(shù)據(jù)，并以此尋找出工程問題的解決方案。 風(fēng)洞試驗主要針對相似模型進行測力試驗、測壓試驗和布局選型試驗。三 風(fēng)洞試驗在“擋風(fēng)

3、抑塵墻”工程實踐中的局限性： “擋風(fēng)抑塵墻”的作用就是降低露天堆場上方的風(fēng)速，以達到抑塵效果。這是屬于流體力學(xué)范疇的一類問題。流體力學(xué)是物理學(xué)的一個分支，是主要研究流體（包括氣體和液體）與其中的物體相互作用的一門科學(xué)。 研究流體力學(xué)的方法同樣有理論研究和實驗研究。在理論研究中，以理論流體力學(xué)的基本控制方程組和基本定律為出發(fā)點，采用適當(dāng)?shù)那疤峒僭O(shè)(如空氣的不可壓縮性假定)，經(jīng)過嚴格的數(shù)學(xué)推導(dǎo)，求解出方程中的未知量(如壓力，速度等)。鑒于理論流體動力學(xué)的基本控制方程組及其邊界條件的強烈的非線性特性，只能在幾種簡單的情況下得到方程組的解析解，在復(fù)雜的情況下(如三維流場，復(fù)雜外形等)就無法獲得解析解，

4、這就決定了理論研究方法在“擋風(fēng)抑塵墻” 研究中具有很多的局限性，工程實踐中很難采用這種方法。同理論研究一樣，實驗研究方法，即風(fēng)洞試驗，也存在著很多的局限性。首先,由于風(fēng)洞的試驗段不可能很大，導(dǎo)致?lián)躏L(fēng)抑塵墻模型的尺寸相對實際尺寸很小，根據(jù)流體力學(xué)的相似律理論可知，風(fēng)洞試驗很難與實際情況具有相同的無量綱參數(shù)，這就意味著風(fēng)洞實驗很難模擬真實的空氣流場。比如：在試驗中，堆料場與擋風(fēng)抑塵墻的模型都要同比縮小，一個200米長的堆料場在模型中要縮小為2米，縮小100倍；而擋風(fēng)抑塵墻厚度只有23毫米，同樣縮小100倍后，只有0.020.03毫米，如此小的尺度，在試驗中是無法實現(xiàn)的，如用原尺度代替，則試驗誤差之

5、大可想而知。又如：對于孔隙率的研究也有局限性，幾十毫米的開孔，縮小100倍后，直徑只有零點幾毫米，在風(fēng)洞試驗中已經(jīng)相當(dāng)于沒有開孔了。其次，風(fēng)洞試驗很難獲得一些極為重要的局部流場的信息，而且為獲得這些流場信息而安裝的諸如壓力傳感器等設(shè)備將干擾真實的流場，導(dǎo)致測量的誤差。第三，風(fēng)洞試驗周期長，價格高。四 數(shù)值模擬和北京大學(xué)的優(yōu)勢： 計算流體力學(xué)和數(shù)值模擬技術(shù)是上世紀五十年代出現(xiàn)的一個以理論流體力學(xué)和計算數(shù)學(xué)為基礎(chǔ)，以大型計算機為工具，來模擬仿真物理過程的研究方法。隨著理論和技術(shù)的進步，計算研究方法已經(jīng)和理論方法、試驗方法并列，成為第三種基本的科學(xué)研究方法。近十年來計算機技術(shù)飛速發(fā)展，數(shù)值模擬技術(shù)也

6、逐步開始實用化，在工業(yè)和工程設(shè)計中起到舉足輕重的作用。數(shù)值模擬技術(shù)發(fā)展的最重要的一個分支就是計算流體力學(xué)，它已經(jīng)成為科學(xué)研究和工程實踐中的一個不可或缺的工具。計算可以在很大程度上避免理論和實驗的困難與缺陷。與理論研究相比，計算可以更多的面向非線性和有復(fù)雜幾何外形的問題，由于采用離散的數(shù)值方法和計算模擬實驗方法，可以不受數(shù)學(xué)解析能力的限制，具有更大的適應(yīng)性和求解能力；與實驗研究相比，數(shù)值模擬更加經(jīng)濟、迅速，具有更大的自由度和靈活性，可以突破實驗上物質(zhì)條件的限制，獲得更多、更細致的結(jié)果。 北京大學(xué)自1959年開始研究數(shù)值模擬技術(shù)，在這個領(lǐng)域居于國內(nèi)領(lǐng)先水平，將其應(yīng)用于擋風(fēng)抑塵墻技術(shù)的研究，擁有極大優(yōu)勢，這種優(yōu)勢主要體現(xiàn)在以下三個方面：1. 不受地形地貌、原型尺度的影響，空間范圍幾乎不受限制。2. 可以任意設(shè)定風(fēng)向、風(fēng)速、高度，較真實的模擬流場，包括所有矢量場（如速度場）和所有標(biāo)量場（如溫度場、密度場和壓力場等），且自動滿足所有相似性參數(shù)和相似律。3 計算結(jié)果可以直接提供諸如：孔隙率、擋風(fēng)抑塵墻高度、擴散面積、