起伏山坡地形下风速场的数值研究

摘 要：以起伏山坡的风速场为研究对象，通过数值模拟的研究方法，将相同坡度不同高度的两个山坡组合成为起伏山坡，建立三维模型并进行数值分析。主要对比分析了不同起伏山坡对坡顶风速的影响和起伏山坡的风速场分布。研究结果表明：起伏地形山坡坡顶风速与单坡相比都会下降，四组模型分别降低了2.5%、6.5%，0.2%、0.5%，3.5%、7.5%，0.5%、0.85%。较低山坡降低程度明显大于较高山坡，且陡坡的坡顶风速比缓坡降低的多。故复杂地形的风机适宜建在较高较缓的山坡坡顶。

关键词：起伏山坡；数值分析；风速；风机

引言

我国是一个有大面积山地的国家，在山地的环境中，由于地形高低起伏变化和热交换等原因，地形对风场产生一定程度的影响是必然存在的。

由国内外统计资料表明，在所有的自然灾害中，风灾造成的损失为各种灾害的首位。故对建筑物周围风场特性的研究变得尤为重要，风工程学的进一步发展也变得十分重要。结构风工程是风工程学科发展的起源，其主要的研究内容是风和结构的相互作用。结构风工程的研究方法主要有以下四种：风洞实验、现场实测、理论分析以及CFD数值模拟[1]。文章采取的即为CFD数值模拟的方法。

目前，山地风场的多数基本理论和经验公式主要在二维的基础上建立起来的。二维模型与实际地形还是有一定的差距，故进行三维数值模拟是优化实验结果的有效途径。文章建立了多个单坡模型以及由其两两组合而成的双坡模型。将数值模拟的结果进行分析对比，可以得到单坡地形风场与双坡地形之间的差别以及不同起伏地形对风场产生的影响。

对山地地形风场进行三维数值模拟，通过对模拟结果的分析对比，可以更加准确的确定结构抗风设计荷载，对风机的微观选址和风资源评估都有重要的意义。

1 山地风场三维数学模型的建立

1.1 计算模型的建立

L1-山坡的高度为坡顶高度一半的某个点到坡顶的水平距离，称为半坡长度，m。

坡度选择0.3和0.5两种坡度，用S3和S5表示。经过风场分析，坡度为0.5时刚好会发生流场分离，而在坡度为0.3的时候几乎不会有流场分离现象。坡度为0.5时是缓坡与陡坡的分界线[3]。故选择坡度0.3和0.5就是为了区别缓坡与陡坡。山坡的高度选择150m和240m，用H150和H240表示。4个单坡的模型分别为S3H150，S5H150，S3H240，S5H240。故起伏地形可以使用这4个单坡模型中坡度相同模型的组合来表示，组合的结果如下：S3H150-S3H240，S3H240-S3H150，S5H150-S5H240，S5H240-S5H150。将相同坡度的两个模型的位置互换即可模拟反向的风场。右边山坡的迎风面坡脚与左边山坡的背风面坡脚之间的距离固定位180m。

1.3 风洞大小选取

由坡度定义S=H/（2L1）可知，各个单坡模型的半坡长度为L1=H/（2S），即：

S3H150：L1=250m；S5H150：L1=400m；

S3H240：L1=150m；S5H240：L1=240m。

双坡模型中，山坡高度最大为240m，风洞的高度取10倍最大高度，即为2400m。半坡长度最大为400m，风洞的长宽取10倍最大半坡长度，即为4000m。单坡模型则按各自山坡高度及半坡长度选取相应的风洞大小。

1.4 网格划分

采用Gambit中的TGrid方式对网格进行划分，山丘表面划分成间隔大小为50m的三角形网格，除了地面，其它面均划分为间隔100m的三角形网格，山丘和地面之间的网格逐渐增大到100m，这样面网格的划分完成，体网格的划分采用四面体单元，使用TGrid方式生成体网格。最终生成的模型网格数量大约为15万。

1.5 参数设置

本模型流动类型属于微可压流动，故求解器应该选择分离式求解器，该求解器可以顺序逐一地对各方程进行求解，某变量迭代完成之后再继续迭代另外一个变量。分离式求解器只能使用隐式方案对控制方程线型化，故线性化方案选用隐式方[4]。流动假设为稳态的，采用绝对速度公式。

坡度为0.5是层流和湍流的分界点[3]，故坡度为0.3时，粘性模型设置为层流采用Laminar湍流模型；坡度为0.5时，粘性模型设置成湍流，采用两方程的标准k-？着湍流模型，其中湍流参数均采用默认参数值。入口风速采用指数风剖面，即式（1），将U10=10m/s，α=0.16带入公式。使用UDF进行编程并导入FLUENT中。

坡度为0.3时，从图a可以明显看出，在两种起伏地形下，S3H150的风速都有不同程度的降低，S3H150-S3H240和S3H240-S3H150较S3H150分别平均降低0.5m/s和1.3m/s，风速降低幅度为2.5%和6.5%。即当风先通过较高山坡再经过较低山坡时，风速降低的更加明显，表明较低的山坡附近风场容易被较高的山坡影响；对比图b，S3H240-S3H150和S3H150-S3H240较S3H240分别平均降低0.04m/s和0.1m/s，风速降低幅度为0.2%和0.5%。整体变化很小，说明较高的山坡附近的风场受较低的山坡影响很小，风速表现的更加稳定。

坡度为0.5时，由图c可知，S5H150-S5H240和S5H240-S5H150较S5H150分别平均降低0.7m/s和1.5m/s，风速降低幅度为3.5%和7.5%。由图d可知，S5H240-S5H150和S5H150-S5H240较S5H240分别平均降低0.1m/s和0.17m/s，风速降低幅度为0.5%和0.85%。对比图c和图a，S5H150的风速降低程度比S3H150大。这就表示了坡度的增加对风场的影响程度会增大。

3 结束语

数值分析的结果表明：起伏地形的山坡坡顶风速会受到其他山坡的影响。较高的山坡坡顶风速会更加稳定，受较低山坡影响很小；而较低山坡坡顶风速受较高山坡影响较大，坡顶风速降低比较多；陡坡的坡顶风速比缓坡降低的更多。故风机适宜建在较高山坡的坡顶。

参考文献

[1]李朝.近地湍流风场的CFD模拟研究[D].深圳：哈尔滨工业大学，2010.

[2]郭文星.复杂山地地形风场CFD多尺度数值模拟[D].深圳：哈尔滨工业大学，2010.

[3]陈平.地形对山地丘陵风场影响的数值研究[D].浙江：浙江大学，2007.

[4]于勇，张俊明，姜连田.FLUENT入门与进阶教程[M].北京：北京理工大学出版社，2008：236-285.

[5]李冬梅，刘志强，吴永忠.山脊地形上风速场模型的实验验证与结果分析[J].太阳能学报，2010，31（4）：507-512.

[6]梁思超，张晓东，康顺，等.基于数值模拟的复杂地形风场风资源评估方法[J].空气动力学学报，2012，30（3）：415-420.