基于地面模型的近地面風(fēng)場(chǎng)特征研究

基于地面模型的近地面風(fēng)場(chǎng)特征研究

0城市大氣邊界層物理模型觀測(cè)結(jié)果表明，隨著時(shí)間的推移，實(shí)際的風(fēng)速大小和方向總是隨著時(shí)間的推移而變化。根據(jù)中國(guó)科學(xué)院大氣物理研究所北京綜合氣象觀測(cè)塔的資料分析,曾慶存團(tuán)隊(duì)發(fā)現(xiàn)冷鋒過(guò)后的強(qiáng)風(fēng)期間,風(fēng)速具有規(guī)律性的陣風(fēng)結(jié)構(gòu),陣風(fēng)周期以(3~6)min為主,疊加在周期不很穩(wěn)定的平均流場(chǎng)(基流)上以上文獻(xiàn)研究中物理模型多具有對(duì)稱性,現(xiàn)實(shí)中的建筑小區(qū)、街道等也具有對(duì)稱分布特征.研究中引入來(lái)流的實(shí)時(shí)變化,流場(chǎng)湍流特征將更加復(fù)雜.二維的簡(jiǎn)化模型既有利于簡(jiǎn)化問(wèn)題,又有助于更直接地揭示物理過(guò)程本質(zhì).因此,本文以簡(jiǎn)化的時(shí)變來(lái)流為邊界條件,利用大渦模擬方法研究時(shí)變來(lái)流條件下近地層風(fēng)場(chǎng)的演化過(guò)程,特別是垂直交換過(guò)程,通過(guò)對(duì)瞬時(shí)風(fēng)場(chǎng)和對(duì)流場(chǎng)的統(tǒng)計(jì)分析結(jié)果,揭示時(shí)變來(lái)流條件下大氣邊界層近地面流場(chǎng)的空間特征及其與時(shí)變來(lái)流和地面粗糙度的內(nèi)在聯(lián)系.1數(shù)值模型1.1大試現(xiàn)象的控制方程我們采用LES(大渦模擬)模擬時(shí)變來(lái)流條件下的邊界層風(fēng)場(chǎng).基于空氣不可壓縮假設(shè),將Navier-Stokes方程作過(guò)濾,可得到大渦模擬的控制方程組式中,式中,Δ為濾波尺度(m);C1.2二維表面模型時(shí)變來(lái)流條件下,來(lái)流的風(fēng)速風(fēng)向隨時(shí)間變化.為了便于分析時(shí)變來(lái)流特征與風(fēng)場(chǎng)演化規(guī)律的內(nèi)在聯(lián)系,我們采用簡(jiǎn)化的時(shí)變來(lái)流條件,即只考慮來(lái)流風(fēng)速隨時(shí)間的變化.在不詳細(xì)刻畫(huà)下墊面幾何結(jié)構(gòu)、只考慮地表起伏(粗糙度)影響的情況下,模擬可以在二維空間進(jìn)行.將下風(fēng)向設(shè)為x軸方向,垂直方向設(shè)為y軸方向,首先建立一個(gè)二維理想平坦地面模型(ModelP).模型計(jì)算區(qū)域大小為600m×300m,網(wǎng)格大小2m×2m,網(wǎng)格總數(shù)45000個(gè).另外,為了考慮地形因素對(duì)空間風(fēng)場(chǎng)特征影響,在平坦地面上增加一個(gè)10m高的楔形結(jié)構(gòu),以示地面的起伏,稱為粗糙地面模型(ModelR10).楔形的縱剖面為鈍角三角形,尺度為:高10m,迎風(fēng)坡傾角15°,背風(fēng)坡傾角30°.粗糙地面模型計(jì)算區(qū)域大小為600m×300m,網(wǎng)格大小為2m×2m,楔形周?chē)W(wǎng)格進(jìn)行局部加密,網(wǎng)格總數(shù)47134個(gè).1.3時(shí)間推移條件的實(shí)現(xiàn)進(jìn)口風(fēng)速分布函數(shù)與Kastner-Klein式中,U時(shí)變來(lái)流的初始風(fēng)速數(shù)據(jù)在北京綜合氣象觀測(cè)塔觀測(cè)結(jié)果上提取1.4壓力零梯度控制數(shù)值模擬在CFD開(kāi)源軟件包OpenFOAM入口速度邊界條件按前文所述設(shè)置,壓力零梯度;出口速度設(shè)為零梯度,壓力設(shè)為定值;頂部設(shè)為滑移邊界條件;地表和楔形表面設(shè)為無(wú)滑移邊界,壓力零梯度.數(shù)值計(jì)算模型和邊界條件的設(shè)置形象地表示如圖2.2結(jié)果與分析2.1空氣黏度引起的來(lái)流風(fēng)速隨時(shí)間的變化特征,引起垂直風(fēng)速隨時(shí)間的變化規(guī)律,導(dǎo)致垂直風(fēng)速隨時(shí)間的變化,造成垂直分布改變,導(dǎo)致垂直分布失去對(duì)稱在圖1所示的時(shí)間序列入口邊界條件下,首先對(duì)平坦地面二維模型的近地面空間風(fēng)場(chǎng)進(jìn)行數(shù)值模擬,得到八個(gè)陣風(fēng)過(guò)程某時(shí)刻的近地面空間瞬時(shí)流場(chǎng),如圖3所示,列出了陣風(fēng)峰期過(guò)程a和陣風(fēng)谷期過(guò)程b的垂向速度的等值線圖作為代表.可以看到,來(lái)流風(fēng)速大小變化能引起垂直氣流,在陣風(fēng)峰期時(shí),流場(chǎng)內(nèi)有明顯的下沉氣流;而在陣風(fēng)谷期時(shí),流場(chǎng)內(nèi)有明顯的上升氣流,需要注意的是,圖3(a)左下角的上升氣流并不是進(jìn)口風(fēng)速變化引起的,而是空氣黏性引起的.這與北京綜合氣象觀測(cè)塔的觀測(cè)規(guī)律一致圖4給出了與圖3(a)和(b)對(duì)應(yīng)時(shí)刻的整場(chǎng)速度矢量圖.為了突出垂直氣流,水平風(fēng)速取真實(shí)值的一半,垂直速度乘以20按照流體力學(xué)的理解,觀測(cè)塔測(cè)得的風(fēng)場(chǎng)既是上游風(fēng)場(chǎng)作用的結(jié)果,也可以是影響下游風(fēng)場(chǎng)的邊界條件.為了更清楚地了解和分析真實(shí)變化來(lái)流條件下流場(chǎng)的時(shí)空變化特征,跟蹤多個(gè)空間點(diǎn)上的風(fēng)速隨時(shí)間的變化.本文分別在靠近進(jìn)口(x=-90m)的上風(fēng)向位置和下風(fēng)向位置(x=300m),在縱向高度為y=47m和y=120m的4個(gè)點(diǎn)上,對(duì)垂直速度進(jìn)行1min統(tǒng)計(jì)平均,得到1min平均時(shí)間序列曲線.作圖時(shí),在y=47m高度處的垂直風(fēng)速不變,而將y=120m高度處的垂直風(fēng)速增加0.5m·s由于進(jìn)口來(lái)流垂直分布呈現(xiàn)對(duì)數(shù)規(guī)律,在來(lái)流風(fēng)速大小變化時(shí),高空風(fēng)速的變化量比低空風(fēng)速的變化量大.在下游流場(chǎng)中任一點(diǎn)上,高空氣流速度響應(yīng)較快,而近地面氣流速度響應(yīng)較慢,導(dǎo)致響應(yīng)過(guò)程中下游風(fēng)速分布失去對(duì)數(shù)分布規(guī)律,并引起上下交換氣流,使風(fēng)速的垂直分布重新回到對(duì)數(shù)規(guī)律.在來(lái)流風(fēng)速增加時(shí),高空風(fēng)速的變化量比近地面風(fēng)速的變化量大,所以高空風(fēng)速變化較快,導(dǎo)致下游適當(dāng)位置高空風(fēng)速先變大,高空氣流具有了更高的動(dòng)壓,從而形成下沉氣流.來(lái)流風(fēng)速變小時(shí),下游流場(chǎng)風(fēng)速的響應(yīng)過(guò)程與之前相反,高空氣流先減小,動(dòng)壓降低,導(dǎo)致低空氣流上升,形成上升氣流.2.2垂向流場(chǎng)模型為了揭示時(shí)變來(lái)流條件下下墊面粗糙度對(duì)流場(chǎng)演化過(guò)程的影響,在圖1所示的入口條件下對(duì)粗糙地面二維模型的近地面空間風(fēng)場(chǎng)進(jìn)行了數(shù)值模擬,得到了各個(gè)陣風(fēng)過(guò)程的近地面空間瞬時(shí)流場(chǎng).圖6以等值線圖的形式給出了陣風(fēng)峰期a和陣風(fēng)谷期b中某時(shí)刻的垂向流場(chǎng)分布.與平坦地面模型類(lèi)似的是,陣風(fēng)峰期過(guò)程的垂直流場(chǎng)以下沉氣流為主,陣風(fēng)谷期過(guò)程的垂直流場(chǎng)以上升氣流為主;不同的是,粗糙地面模型由于楔形結(jié)構(gòu)的存在,迎風(fēng)面產(chǎn)生上升氣流,該上升氣流與進(jìn)口風(fēng)速變化引起的空間垂向流場(chǎng)相耦合,使近地面垂向氣流變得復(fù)雜而強(qiáng)烈.與平坦地面模擬結(jié)果分析類(lèi)似,為了分析真實(shí)變化來(lái)流條件下的粗糙地面模型中風(fēng)場(chǎng)的時(shí)空變化特征,給出了靠近進(jìn)口(x=-90m)的上風(fēng)向和x=300m的下風(fēng)向位置處,垂直高度分別為y=47m和y=120m的4個(gè)點(diǎn)上的垂直速度1min統(tǒng)計(jì)平均時(shí)間序列曲線.同樣,作圖時(shí)y=47m處的垂直速度不變,將y=120m處的垂直風(fēng)速增加1m·s如前所述,北京綜合氣象觀測(cè)塔周?chē)胁煌叨鹊慕ㄖ?其近地面的粗糙度對(duì)流場(chǎng)有顯著影響3垂直流場(chǎng)的影響采用大渦模擬方法,對(duì)平坦地面模型和粗糙地面模型分別研究時(shí)變來(lái)流條件下的近地面空間風(fēng)場(chǎng)特征.二維平坦地面模型和粗糙地面模型的模擬結(jié)果顯示,進(jìn)口風(fēng)速大小發(fā)生變化時(shí),可以引起流場(chǎng)內(nèi)的垂直氣流,在陣風(fēng)峰期產(chǎn)生下沉氣流,在陣風(fēng)谷期產(chǎn)生上升氣流;引起時(shí)變來(lái)流下模擬區(qū)域內(nèi)垂直氣流的原因在于下游流場(chǎng)對(duì)來(lái)流變化的響應(yīng)時(shí)間存在高度差異,高空響應(yīng)更快,形成上下層流動(dòng)壓差,并導(dǎo)致空氣垂直流動(dòng);下墊面粗糙度對(duì)垂直速度有顯著影響,下墊面粗糙度越大,空間場(chǎng)中產(chǎn)生的垂直速度越大,其影響范