基于fluen的山區(qū)峽谷橋址區(qū)過(guò)渡段流場(chǎng)數(shù)值模擬

基于fluen的山區(qū)峽谷橋址區(qū)過(guò)渡段流場(chǎng)數(shù)值模擬

0對(duì)邊緣處過(guò)渡段的作用如果氣流通過(guò)山區(qū)的山谷地形，則山區(qū)對(duì)來(lái)流的阻塞、上升和山脈后的氣流分離功能會(huì)發(fā)生變化來(lái)流特征。在峽谷地區(qū)，由于峽谷中的障礙風(fēng)和峽谷風(fēng)的影響，氣流通過(guò)峽谷的范圍也會(huì)發(fā)生變化。處于山區(qū)峽谷區(qū)的大跨度橋梁,由于受山區(qū)峽谷復(fù)雜地形的影響,橋址區(qū)風(fēng)場(chǎng)分布復(fù)雜,與平坦地區(qū)橋址區(qū)風(fēng)特性差異顯著,現(xiàn)有規(guī)范對(duì)復(fù)雜地形風(fēng)特性描述極少,山區(qū)峽谷復(fù)雜地形橋梁抗風(fēng)已成為風(fēng)工程研究的難點(diǎn)。針對(duì)山區(qū)峽谷復(fù)雜地形橋址區(qū)風(fēng)特性的研究主要包括三個(gè)方面:現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)、數(shù)值模擬和風(fēng)洞試驗(yàn)。數(shù)值模擬和風(fēng)洞試驗(yàn)較現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)方法研究周期較短,試驗(yàn)條件易于控制等優(yōu)勢(shì),目前在山區(qū)峽谷橋址區(qū)風(fēng)特性的研究中應(yīng)用越來(lái)越廣泛,但數(shù)值模擬和風(fēng)洞試驗(yàn)方法在復(fù)雜地形模型的建立中存在困難:由于所考慮的地形范圍有限,使得地形模型在離橋址區(qū)有限距離處被截?cái)?而對(duì)于山區(qū)峽谷復(fù)雜地形的橋址區(qū),由于地形高差較大,其地形模型邊緣通常離開(kāi)風(fēng)洞地板或數(shù)值模型區(qū)域底面有一定的高度,這會(huì)導(dǎo)致來(lái)流在地形模型邊緣處發(fā)生分離或繞流,從而對(duì)來(lái)流特性產(chǎn)生影響,為使來(lái)流“平緩”過(guò)渡到模型區(qū)域,就要求在地形模型的邊界處布置有合理的氣流過(guò)渡段。胡峰強(qiáng)等針對(duì)主跨為636m的北盤江大橋橋址區(qū)風(fēng)特性,建立了直徑為2.4km范圍的地形模型,并采用地形漸變補(bǔ)償段使來(lái)流過(guò)渡到地形模型。徐洪濤為研究主跨為1088m的壩陵河大橋橋址區(qū)風(fēng)特性,建立了直徑為9.0km的地形模型,模型邊界也采用漸變處理。陳政清等以主跨為1176m的矮寨大橋?yàn)楣こ瘫尘?建立了直徑為2.0km的地形模型,也采用地形補(bǔ)償段使來(lái)流過(guò)渡到地形模型。上述研究均未明確說(shuō)明過(guò)渡段的形式或尺寸,也沒(méi)有考察過(guò)渡段對(duì)來(lái)流特性的影響。胡峰強(qiáng)針對(duì)主跨為900m的四渡河大橋橋址區(qū)風(fēng)特性,建立了直徑為10.0km范圍的地形模型,并采用30°的斜坡作為地形模型邊界的過(guò)渡段。Maurizi等采用數(shù)值模擬的方法研究了15.0km×14.0km范圍的山區(qū)風(fēng)場(chǎng),并采用坡度不超過(guò)1/10的斜坡來(lái)作為氣流過(guò)渡段。斜坡形式較為簡(jiǎn)單,但采用斜坡作為地形模型邊界過(guò)渡段的適用性還有待驗(yàn)證。地形模型風(fēng)洞試驗(yàn)研究通常以地形模型放置之前未受擾動(dòng)的風(fēng)場(chǎng)作為參考,因此客觀上要求來(lái)流從風(fēng)洞地板或數(shù)值模擬區(qū)域底面經(jīng)過(guò)渡段過(guò)渡到地形模型時(shí),其風(fēng)場(chǎng)應(yīng)盡量與參考風(fēng)場(chǎng)保持相同的特性,從而使未受擾動(dòng)的風(fēng)場(chǎng)作為后續(xù)研究的參考風(fēng)場(chǎng)時(shí)更具代表性。綜合考慮風(fēng)洞試驗(yàn)或數(shù)值模擬研究中地形模型邊界過(guò)渡段的作用,本文提出山區(qū)峽谷復(fù)雜地形模型邊界過(guò)渡段應(yīng)滿足的兩個(gè)原則:(1)過(guò)渡后的氣流特性(如風(fēng)速、風(fēng)攻角等)應(yīng)盡量與未受擾動(dòng)的參考風(fēng)場(chǎng)特性保持一致,不能出現(xiàn)分離或繞流,氣流分離或繞流會(huì)使邊界層增厚、氣流不穩(wěn)定等;(2)氣流從過(guò)渡段開(kāi)始到氣流達(dá)到穩(wěn)定時(shí)的過(guò)渡總長(zhǎng)度應(yīng)充分短,較長(zhǎng)的氣流過(guò)渡總長(zhǎng)度會(huì)進(jìn)一步減小地形模型的縮尺,對(duì)于數(shù)值模擬方法,也會(huì)增大計(jì)算區(qū)域尺寸、增加計(jì)算量。對(duì)于文獻(xiàn)中采用30°斜坡作為過(guò)渡段,當(dāng)來(lái)流流向斜坡時(shí),由于受斜坡的擠壓,氣流速度沿斜坡增大,壓強(qiáng)隨之減小,由此會(huì)產(chǎn)生順壓梯度,當(dāng)達(dá)到斜坡與地形模型相交的角點(diǎn)時(shí),速度達(dá)到最大,此時(shí)相應(yīng)的壓強(qiáng)也就達(dá)到最小,因而在角點(diǎn)之后就會(huì)產(chǎn)生逆壓梯度,當(dāng)逆壓梯度過(guò)大時(shí)流動(dòng)就可能會(huì)發(fā)生分離。文獻(xiàn)采用坡度不超過(guò)1/10的斜坡作為過(guò)渡段,此時(shí)氣流雖很難發(fā)生分離,但坡度太小致過(guò)渡段過(guò)長(zhǎng),很難適用于風(fēng)洞試驗(yàn)或數(shù)值模擬研究的需要。隨著我國(guó)西部大開(kāi)發(fā)戰(zhàn)略的進(jìn)一步實(shí)施,西部地區(qū)橋梁風(fēng)工程研究的深入開(kāi)展,西部地區(qū)復(fù)雜地形橋址區(qū)風(fēng)特性的風(fēng)洞試驗(yàn)或數(shù)值模擬研究必將越來(lái)越多,但目前針對(duì)山區(qū)峽谷復(fù)雜地形模型邊界過(guò)渡段的研究尚未見(jiàn)報(bào)道。為選取合理的地形模型邊界過(guò)渡段,本文基于理想流體圓柱繞流推導(dǎo)出一類過(guò)渡段曲線,以理想二維平臺(tái)地形為分析模型,采用CFD軟件FLUENT對(duì)比研究了曲線過(guò)渡段與斜坡過(guò)渡段的氣流分離特性及過(guò)渡后風(fēng)速場(chǎng)的分布特性,并比較了不同曲線過(guò)渡段的氣流過(guò)渡總長(zhǎng)度,為山區(qū)峽谷橋址區(qū)風(fēng)特性的復(fù)雜地形模型風(fēng)洞試驗(yàn)和數(shù)值模擬研究提供參考。1起點(diǎn)與終點(diǎn)段的垂直速度分量風(fēng)洞中未受擾動(dòng)的來(lái)流參考風(fēng)場(chǎng)可視為等速直線流動(dòng),其垂直速度分量可假設(shè)為零值。當(dāng)氣流經(jīng)過(guò)過(guò)渡段時(shí),除壁面附近很小范圍區(qū)域內(nèi)受粘性作用影響外,流動(dòng)可近似為勢(shì)流,根據(jù)勢(shì)流理論,對(duì)于圓柱繞流的流函數(shù)及速度分量為:ψ=U∞y(1-a2x2+y2)ψ=U∞y(1?a2x2+y2)(1)u=?ψ?y=U∞[1+a2y2-x2(x2+y2)2u=?ψ?y=U∞[1+a2y2?x2(x2+y2)2(2)v=-?ψ?x=-U∞a22xy(x2+y2)2v=??ψ?x=?U∞a22xy(x2+y2)2(3)式中ψ為流函數(shù),對(duì)于每條流線其值為常數(shù);U∞為圓柱遠(yuǎn)前方的來(lái)流速度;u、v為流場(chǎng)中的水平速度分量與垂直速度分量;a為繞流圓柱的半徑;x、y為原點(diǎn)O在圓柱軸線上的勢(shì)流坐標(biāo),如圖1所示。根據(jù)上文中過(guò)渡段應(yīng)滿足的原則,氣流在過(guò)渡段的起點(diǎn)與終點(diǎn)處的垂直速度分量也應(yīng)滿足為零值,以與來(lái)流參考風(fēng)場(chǎng)盡量保持一致。注意到式(3),當(dāng)流線上點(diǎn)的橫坐標(biāo)為x=0或x=±∞時(shí),其垂直速度分量v值即為零。另根據(jù)流函數(shù)的性質(zhì),上述勢(shì)流場(chǎng)中任一條流線均可視為一個(gè)固定壁面而不影響流體運(yùn)動(dòng),且流線上的任意點(diǎn)均自動(dòng)滿足流動(dòng)不分離,由此可將上述流線作為可能的過(guò)渡段曲線,而過(guò)渡段的起點(diǎn)與終點(diǎn)就是流線上v值為零的坐標(biāo)點(diǎn);但又注意到若過(guò)渡段的端點(diǎn)取x=±∞的坐標(biāo)點(diǎn),會(huì)導(dǎo)致過(guò)渡段自身長(zhǎng)度無(wú)限長(zhǎng),為得到滿足要求的過(guò)渡段,現(xiàn)對(duì)式(1)進(jìn)行變形及展開(kāi)可得:考慮實(shí)際工程應(yīng)用需要及方便公式推導(dǎo),在此取級(jí)數(shù)的前五項(xiàng),則相應(yīng)的流函數(shù)與垂直速度分量為:式中下標(biāo)“5”表示取級(jí)數(shù)展開(kāi)前五項(xiàng)時(shí)的各變量,令垂直速度分量v5=0,則由式(6)可得:式中x1、x2即可視為過(guò)渡段起點(diǎn)與終點(diǎn)的橫坐標(biāo)。將式(7)代入式(5)可得:式中y1、y2即為與橫坐標(biāo)x1、x2相對(duì)應(yīng)的過(guò)渡段起點(diǎn)與終點(diǎn)的縱坐標(biāo)。依次解出y1、y2可得:式中m=ψ5/U∞。至此,過(guò)渡段的起點(diǎn)(x1,y1)與終點(diǎn)(x2,y2)均已確定。由于要求氣流從過(guò)渡段開(kāi)始到氣流達(dá)到穩(wěn)定時(shí)的過(guò)渡總長(zhǎng)度充分短,實(shí)際上要求過(guò)渡段自身的長(zhǎng)度及氣流過(guò)渡后再達(dá)到穩(wěn)定時(shí)的長(zhǎng)度之和應(yīng)盡量小,而最短的過(guò)渡段長(zhǎng)度(本文指投影長(zhǎng)度)即要求其等效斜率k0(如圖2所示)并注意到式(7):k0=y2-y1x2-x1=y2-y10.778y1k0=y2?y1x2?x1=y2?y10.778y1(10)取最大值。將式(9)代入式(10)并化簡(jiǎn)可得:k0=1.285(√m2+4a2-√m2+2.692a2m+√m2+2.692a2)k0=1.285(m2+4a2√?m2+2.692a2√m+m2+2.692a2√)(11)將k0視為變量m的函數(shù),可知當(dāng)m→-∞時(shí),k0max=0.624,與a的取值無(wú)關(guān)。通常情況下,過(guò)渡段的高度可取地形模型邊界的地形高度h0,則有h0=y2-y1,根據(jù)式(9),并結(jié)合式(11)可得關(guān)于a與m的方程組:由于上述公式是基于理想流體推導(dǎo)而成,在實(shí)際粘性流體中可根據(jù)需要對(duì)k0值進(jìn)行優(yōu)化,但要滿足k0<k0max=0.624,如有必要還可增減式(4)中級(jí)數(shù)項(xiàng)的展開(kāi)數(shù)目。當(dāng)h0與k0值最終確定之后,求此方程組就可得到a與m的值,再代入式(5)就可得到相應(yīng)的流線方程(13),方程(13)所確定的曲線,即為所求的過(guò)渡段曲線。y-a2y+a2x2y3-a2x4y5+a2x6y7-a2x8y9-m=0y?a2y+a2x2y3?a2x4y5+a2x6y7?a2x8y9?m=0(13)2曲線過(guò)渡段與斜坡過(guò)渡段流場(chǎng)對(duì)比文獻(xiàn)都采用了斜坡作為地形模型邊界的過(guò)渡段,為驗(yàn)證斜坡作為過(guò)渡段的適用性及上文推導(dǎo)的曲線段作為過(guò)渡段的有效性,以下就通過(guò)CFD方法分別模擬具有曲線過(guò)渡段與斜坡過(guò)渡段地形模型的流場(chǎng),并從氣流分離特性、過(guò)渡后風(fēng)速場(chǎng)的分布特性等方面對(duì)兩種不同線型過(guò)渡段的流動(dòng)特性進(jìn)行對(duì)比。2.1曲線過(guò)渡段的設(shè)置為重點(diǎn)考察過(guò)渡段的流動(dòng)特性,將地形簡(jiǎn)化為二維理想的平臺(tái)模型,平臺(tái)高度h0為0.385m,模型兩側(cè)均設(shè)置過(guò)渡段,地形模型與兩側(cè)過(guò)渡段的總長(zhǎng)度保持為18.0m;考慮到文獻(xiàn)中30°斜坡過(guò)渡段能滿足實(shí)際工程需要,由此選擇相同長(zhǎng)度的等效斜率k0為0.58(等效坡度為30°)的曲線過(guò)渡段與之對(duì)比。由于已知h0、k0,則通過(guò)方程(12)、(13)可確定k0=0.58的曲線過(guò)渡段方程如下式(14)所示。此外,本文也設(shè)置了一個(gè)無(wú)過(guò)渡段的參考模型,用以模擬未受擾動(dòng)的參考風(fēng)場(chǎng),當(dāng)有過(guò)渡段的風(fēng)場(chǎng)特性與無(wú)過(guò)渡段的風(fēng)場(chǎng)特性接近時(shí),就說(shuō)明此時(shí)的流場(chǎng)與未受擾動(dòng)的參考風(fēng)場(chǎng)較為一致,地形模型與各過(guò)渡段形式如圖3所示。y-21.298y+21.298x2y3-21.298x4y5+21.298x6y7-21.298x8y9+15.968=0,(-0.664≤x≤0)(14)y?21.298y+21.298x2y3?21.298x4y5+21.298x6y7?21.298x8y9+15.968=0,(?0.664≤x≤0)(14)2.2邊界條件及湍流強(qiáng)度采用CFD商業(yè)軟件FLUENT對(duì)地形模型的流場(chǎng)進(jìn)行分析。地形模型中心距離入口邊界及出口邊界分別為35.0m和55.0m,計(jì)算區(qū)域高度為15.0m,滿足阻塞率不大于3%的規(guī)定;流動(dòng)區(qū)域采用結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格進(jìn)行離散,網(wǎng)格最小尺寸為0.001m,網(wǎng)格總數(shù)為70萬(wàn)左右。采用速度入口邊界條件,來(lái)流設(shè)置為均勻流,速度為10m/s,湍流強(qiáng)度根據(jù)一般風(fēng)洞試驗(yàn)中均勻流的要求設(shè)置為0.5%;出口設(shè)定為壓力出口,下底面(包括地面及平臺(tái)壁面)設(shè)定為光滑固壁,上頂面設(shè)定為對(duì)稱邊界條件,如圖4所示,計(jì)算區(qū)域的總體坐標(biāo)系(x′,y′)原點(diǎn)設(shè)置在平臺(tái)模型底部的中心處,由此各過(guò)渡段的起點(diǎn)坐標(biāo)均為(-9.0,0),水平向以來(lái)流方向(自左至右)為正。計(jì)算模型采用定常求解,選用SSTk-ω湍流模型,壓力與速度耦合采用SIMPLEC算法,動(dòng)量方程、湍動(dòng)能方程及湍流耗散率方程均采用二階離散格式,收斂精度均設(shè)置為1.0×10-6。對(duì)于無(wú)過(guò)渡段的模型,由于無(wú)過(guò)渡段時(shí)的計(jì)算區(qū)域高度為14.615m,為保持有過(guò)渡段與無(wú)過(guò)渡段時(shí)平臺(tái)中心上方風(fēng)剖面的一致性,將無(wú)過(guò)渡段的來(lái)流風(fēng)速設(shè)為10.263m/s,其余參數(shù)保持不變。2.3壁面剪切應(yīng)力流體的局部分離會(huì)導(dǎo)致邊界層變厚,而較大的分離則會(huì)導(dǎo)致流動(dòng)的不穩(wěn)定,因此氣流過(guò)渡之后,流動(dòng)應(yīng)盡量不能發(fā)生分離。流動(dòng)分離產(chǎn)生的原因主要在于流域內(nèi)產(chǎn)生了過(guò)大的逆壓梯度;對(duì)于二維流動(dòng),可將壁面剪切應(yīng)力τw=0作為判斷流動(dòng)分離的準(zhǔn)則,當(dāng)壁面剪切應(yīng)力τw<0時(shí),就說(shuō)明流動(dòng)出現(xiàn)了分離。根據(jù)FLUENT的計(jì)算,k0=0.58的曲線過(guò)渡段與30°斜坡過(guò)渡段的壁面剪切應(yīng)力如圖5所示,由圖可知,兩過(guò)渡段的壁面剪切應(yīng)力在起點(diǎn)(x′=-9.0m)處均出現(xiàn)了小范圍的負(fù)值,說(shuō)明氣流在此處發(fā)生了分離。從過(guò)渡段的起點(diǎn)到終點(diǎn)(x′=-8.34m),兩者的壁面剪切應(yīng)力均有一從急劇上升到急劇下降的過(guò)程,但30°斜坡過(guò)渡段的應(yīng)力值較曲線過(guò)渡段的變化要?jiǎng)×?這主要是由過(guò)渡段的形狀所決定的,對(duì)于30°斜坡過(guò)渡段其流動(dòng)性質(zhì)屬于繞角流動(dòng):當(dāng)氣流到達(dá)過(guò)渡段終點(diǎn)與地形模型相交的角點(diǎn)時(shí),氣流速度達(dá)到最大值,此時(shí)靠近壁面的法向速度梯度也就會(huì)達(dá)到最大值,根據(jù)壁面剪切應(yīng)力的定義,此時(shí)其應(yīng)力值也就達(dá)到極值;另一方面,由于氣流速度在角點(diǎn)處達(dá)到最大值,此時(shí)相應(yīng)的壓力也就達(dá)到最小值,此后由于過(guò)大的逆壓梯度使氣流減速,從而使壁面的法向速度梯度下降較快,相應(yīng)的壁面剪切應(yīng)力也就下降得較為劇烈,并且在過(guò)渡段終點(diǎn)附近降至零值以下(如圖5所示),說(shuō)明氣流此時(shí)發(fā)生了分離;而曲線過(guò)渡段的形狀相對(duì)平緩光滑,氣流流過(guò)時(shí)速度較為均勻,相應(yīng)的壁面剪切應(yīng)力的變化也就相對(duì)較緩和,因此氣流從曲線過(guò)渡段過(guò)渡后就沒(méi)有發(fā)生分離。圖5中還給出了無(wú)過(guò)渡段的壁面剪切應(yīng)力,由圖可知,氣流過(guò)渡后曲線過(guò)渡段的壁面剪切應(yīng)力值更接近于無(wú)過(guò)渡段的,說(shuō)明此時(shí)其近壁面流動(dòng)特性與無(wú)過(guò)渡段的更為接近。2.4過(guò)渡段風(fēng)攻角的變化當(dāng)來(lái)流經(jīng)過(guò)過(guò)渡段后,來(lái)流風(fēng)場(chǎng)不可避免地會(huì)發(fā)生改變,對(duì)于不同線型的曲線過(guò)渡段與斜坡過(guò)渡段,不同位置的風(fēng)速場(chǎng)差別會(huì)較大,為增強(qiáng)不同過(guò)渡段時(shí)風(fēng)速場(chǎng)的對(duì)比性,可對(duì)風(fēng)速相關(guān)量采用歸一化處理。圖6、圖7為兩過(guò)渡段的終點(diǎn)與地形模型中心處歸一化的風(fēng)速剖面,由圖6可知,斜坡過(guò)渡段終點(diǎn)處的風(fēng)速在壁面附近有明顯的加速,風(fēng)速剖面與無(wú)過(guò)渡段的差異較大,而曲線過(guò)渡段的風(fēng)速剖面與其類似,但與無(wú)過(guò)渡段風(fēng)速剖面的差異較斜坡過(guò)渡段與無(wú)過(guò)渡段的差異要小;在圖7中,斜坡過(guò)渡段的歸一化風(fēng)速在一定高度范圍內(nèi)小于無(wú)過(guò)渡段的,而曲線過(guò)渡段的風(fēng)速剖面與無(wú)過(guò)渡段的差異較小,上述主要是由氣流過(guò)渡后的流動(dòng)特性造成的,對(duì)于斜坡過(guò)渡段,氣流在過(guò)渡段終點(diǎn)的角點(diǎn)處速度達(dá)到最大值,因此此處的加速效應(yīng)較為明顯;另一方面,氣流會(huì)在壁面附近產(chǎn)生剪切層,加之氣流此時(shí)又發(fā)生了分離,因而使剪切層的范圍加大,且隨著流動(dòng)的發(fā)展而增厚,當(dāng)氣流到達(dá)地形模型中心時(shí),剪切層的厚度已較明顯,相應(yīng)的速度在一定范圍內(nèi)也就較小,甚至小于無(wú)過(guò)渡段的;而對(duì)于曲線過(guò)渡段,由于氣流過(guò)渡較為平緩,風(fēng)速加速不明顯,剪切層的發(fā)展也較滯緩,因此與無(wú)過(guò)渡段的風(fēng)速差異較小,而上述氣流特性最終會(huì)在歸一化的風(fēng)速剖面上體現(xiàn)出來(lái)。此外,注意到圖6、圖7中無(wú)過(guò)渡段歸一化風(fēng)速分別在0.70m、0.78m以上保持不變,可認(rèn)為是此兩點(diǎn)處的邊界層高度。為考察從過(guò)渡段終點(diǎn)到地形模型中心時(shí)兩過(guò)渡段與無(wú)過(guò)渡段歸一化風(fēng)速剖面的差異,在此引入平均相對(duì)歸一化風(fēng)速差γ,其定義為:γ=h=Η∑h>0|vh/vΗ-v0h/v0Η|v0h/v0Η?Νγ=∑h>0h=H|vh/vH?v0h/v0H|v0h/v0H?N(15)其中H為無(wú)過(guò)渡段時(shí)邊界層的高度,對(duì)處于過(guò)渡段終點(diǎn)與地形模型中心之間區(qū)域的邊界層高度可采用此兩端點(diǎn)的高度插值求得,對(duì)于曲線過(guò)渡段與斜坡過(guò)渡段的邊界層高度近似取與無(wú)過(guò)渡段的一致;vh為距離壁面高度為h處的速度,v0h為無(wú)過(guò)渡段時(shí)距離壁面高度為h處的速度;vH為邊界層高度處的速度,v0H為無(wú)過(guò)渡段時(shí)邊界層高度處的速度;N為從壁面以上到邊界層高度處所取控制點(diǎn)的個(gè)數(shù)。由此可得不同過(guò)渡段時(shí)平均相對(duì)歸一化風(fēng)速差γ的沿程分布(如圖8所示),由圖可知,在過(guò)渡段終點(diǎn)處兩過(guò)渡段的γ值均較大,隨著距離地形模型中心越近,γ值逐漸減小;但總體而言,曲線過(guò)渡段的γ值更趨近于無(wú)過(guò)渡段的,說(shuō)明曲線過(guò)渡時(shí)不同位置處的歸一化風(fēng)速剖面與無(wú)過(guò)渡段的更為一致。為考察氣流過(guò)渡后風(fēng)攻角的變化情況,不同過(guò)渡段時(shí)邊界層高度范圍內(nèi)氣流的平均風(fēng)攻角分布如圖9所示,由圖可知,曲線過(guò)渡段與斜坡過(guò)渡段的風(fēng)攻角值均隨著距離過(guò)渡段終點(diǎn)越遠(yuǎn)而逐步減小,最終趨于無(wú)過(guò)渡段的,但曲線過(guò)渡段的平均風(fēng)攻角值與無(wú)過(guò)渡段的更為接近,其原因主要是由于氣流離開(kāi)斜坡過(guò)渡段時(shí),在一定程度上保持了斜坡的方向,隨著氣流遠(yuǎn)離過(guò)渡段,其流動(dòng)方向才逐漸與平臺(tái)壁面平行;而曲線過(guò)渡段的形狀變化較平緩(在終點(diǎn)處的斜率為零),其流動(dòng)方向近似沿著平臺(tái)壁面方向,最終使其過(guò)渡之后的平均風(fēng)攻角與無(wú)過(guò)渡段的差異較小。綜上所述,氣流過(guò)渡后曲線過(guò)渡段的平均相對(duì)歸一化風(fēng)速差與平均風(fēng)攻角的沿程分布與無(wú)過(guò)渡段的更為接近,且更先趨近于無(wú)過(guò)渡段的,說(shuō)明氣流從曲線過(guò)渡段過(guò)渡后其風(fēng)速場(chǎng)的分布特性與無(wú)過(guò)渡段的參考風(fēng)速場(chǎng)的分布特性更為一致,同時(shí)也反映出經(jīng)過(guò)曲線過(guò)渡后的氣流更先達(dá)到穩(wěn)定(以無(wú)過(guò)渡段的特征量為基準(zhǔn));此外,注意到k0=0.58的曲線過(guò)渡段與30°斜坡過(guò)渡段的長(zhǎng)度(指投影長(zhǎng)度)相等,由此可以說(shuō)明曲線過(guò)渡時(shí)的氣流過(guò)渡總長(zhǎng)度要小于斜坡過(guò)渡段的。3過(guò)渡段風(fēng)場(chǎng)的空間變化由于曲線過(guò)渡段最大的等效斜率k0max為0.624,若選擇過(guò)大的k0值,則可能會(huì)導(dǎo)致方程(12)、(13)解的不穩(wěn)定,考慮到方程求解與工程應(yīng)用需要,將k0值上限定為0.58(等效坡度為30°)。為對(duì)比不同k0值時(shí)各曲線過(guò)渡段的流動(dòng)特性,不妨再選擇k0值分別為0.36及0.18(等效坡度為20°、10°)的兩種過(guò)渡段曲線,根據(jù)式(12、13)同理可得兩種曲線過(guò)渡段的形式如圖10所示。采用與上文相同的地形模型及計(jì)算參數(shù)設(shè)置,仍保持各過(guò)渡段的起點(diǎn)坐標(biāo)均為(-9.0,0)。圖11為不同過(guò)渡段時(shí)地形模型中心處的風(fēng)速剖面,由圖可知,各風(fēng)速剖面的一致性較好,且與無(wú)過(guò)渡段時(shí)的風(fēng)速剖面較為接近,這主要是由于各曲線過(guò)渡段的形狀均較平緩,氣流從各曲線過(guò)渡段過(guò)渡時(shí)氣流速度、壓強(qiáng)等特征量總體變化均較緩和,最終使不同過(guò)渡段時(shí)風(fēng)場(chǎng)分布特性較為相似,且在地形模型中心處的風(fēng)速場(chǎng)分布特性與無(wú)過(guò)渡段的差異均較小。值得注意的是,氣流過(guò)渡時(shí)不同縱向位置處的風(fēng)場(chǎng)特性必有所不同,為考察不同過(guò)渡段時(shí)不同位置處的風(fēng)場(chǎng)特性與無(wú)過(guò)渡段的差異,對(duì)比了距離過(guò)渡段及平臺(tái)壁面0.05m、0.10m及0.20m高度處的相對(duì)風(fēng)速差及風(fēng)攻角的沿程分布,其中相對(duì)風(fēng)速差a的定義為:a=|vh-ηv0h|ηv0h,η=14.61515-y′a=|vh?ηv0h|ηv0h,η=14.61515?y′(16)其中vh與v0h的意義同(15)式;η為速度比例因子,考慮到過(guò)渡段高度沿程改變,氣流的流動(dòng)區(qū)域也隨之改變,而無(wú)過(guò)渡段模型的流動(dòng)區(qū)域高度始終為14.615m(如圖4所示),故對(duì)無(wú)過(guò)渡段時(shí)距離壁面相同高度處的風(fēng)速乘以一速度比例因子以近似考慮兩者間風(fēng)速的對(duì)應(yīng)關(guān)系。其中距離過(guò)渡段及平臺(tái)壁面h=0.05m高度處的相對(duì)風(fēng)速差及風(fēng)攻角的沿程分布如圖(12、13)所示。由圖可知,各過(guò)渡段的相對(duì)風(fēng)速差值在過(guò)渡段處均先減小后增大再減小,隨著距離過(guò)渡段越遠(yuǎn),其值最終與無(wú)過(guò)渡段的趨于一致,但k0=0.58的曲線過(guò)渡段的相對(duì)風(fēng)速差值相對(duì)最先趨于穩(wěn)定并與過(guò)渡段的保持一致。對(duì)于風(fēng)攻角的分布,雖然各過(guò)渡段的風(fēng)攻角值在過(guò)渡段處均先增大后減小,最后與無(wú)過(guò)渡段的風(fēng)攻角值趨于一致,但從總體