基于近地面流場(chǎng)的風(fēng)吹雪雪害成因與預(yù)警研究

基于近地面流場(chǎng)的風(fēng)吹雪雪害成因與預(yù)警研究

風(fēng)雨雪害是中國常見的雪害之一，主要分布在高緯度、高海拔和地形起伏變化的穩(wěn)定雪帶。冬季受西伯利亞寒流和蒙古國高壓的影響,氣候干燥,低溫、風(fēng)速大,冬季降雪頻繁等因素的影響,內(nèi)蒙古現(xiàn)有公路6.9萬km,其中縣以上公路4.5萬km,新疆現(xiàn)有公路8.1萬km,其中縣以上公路3.6萬km,吉林現(xiàn)有公路4萬km,其中縣以上公路2萬多km,黑龍江省現(xiàn)有公路6萬km,其中縣以上公路2萬多km,由于產(chǎn)生公路風(fēng)吹雪雪阻導(dǎo)致一條或幾條公路互相不能暢通,甚至造成交通中斷幾天,造成大量旅客滯留、貨物積壓,給西部經(jīng)濟(jì)建設(shè)和工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)以及人民的日常生活帶來嚴(yán)重影響,為了搶險(xiǎn)保通,每年交通部門都要花費(fèi)大量的人力、物力和財(cái)力。公路風(fēng)吹雪雪害已是長期困擾公路運(yùn)輸?shù)囊粋€(gè)難題。公路風(fēng)吹雪雪害成因與預(yù)警研究就從成因與機(jī)理入手,通過掌握公路風(fēng)吹雪雪害形成的主要因素和各地區(qū)的天氣預(yù)報(bào)預(yù)測(cè)公路風(fēng)吹雪雪害產(chǎn)生的地段規(guī)模與時(shí)間進(jìn)行警示,同時(shí)為公路風(fēng)吹雪雪害的防治提供理論基礎(chǔ)。1建立雪粒運(yùn)動(dòng)方程風(fēng)雪流是非典型的二相流,風(fēng)吹雪雪害是否發(fā)生以及災(zāi)害程度與公路路段的近地面流場(chǎng)(速度矢量和壓力)的分布有著密切關(guān)系。因此,根據(jù)流體力學(xué)理論,研究易發(fā)生雪害路段的近地面流場(chǎng)分布特性,找出風(fēng)吹雪雪害發(fā)生的原因。應(yīng)用流體力學(xué)的歐拉觀點(diǎn)建立有旋粘性流體動(dòng)力學(xué)方程。具體方程如下?·V=0上式展開為DViDt=gi?1ρ?p?xi+2μρ??xiεijDViDt=gi-1ρ?p?xi+2μρ??xiεij在直角坐標(biāo)系展開為?u?t+u?u?x+v?u?y+w?u?z=gx?1ρ?p?x+μρ(?2u?x2+?2u?y2+?2u?z2)?v?t+u?u?x+v?u?y+w?u?z=gy?1ρ?p?y+μρ(?2u?x2+?2u?y2+?2u?z2)?w?t+u?u?x+v?u?y+w?u?z=gz?1ρ?p?z+μρ(?2u?x2+?2u?y2+?2u?z2)?u?t+u?u?x+v?u?y+w?u?z=gx-1ρ?p?x+μρ(?2u?x2+?2u?y2+?2u?z2)?v?t+u?u?x+v?u?y+w?u?z=gy-1ρ?p?y+μρ(?2u?x2+?2u?y2+?2u?z2)?w?t+u?u?x+v?u?y+w?u?z=gz-1ρ?p?z+μρ(?2u?x2+?2u?y2+?2u?z2)根據(jù)不同斷面形式下,流場(chǎng)的分布特點(diǎn),應(yīng)用力學(xué)中二相流(氣-固)理論,依據(jù)經(jīng)典力學(xué)方程和拉格朗日觀點(diǎn)建立個(gè)體雪粒運(yùn)動(dòng)方程為?uP?t=FD(u?uP)+g(ρP?ρ)ρP+FC?uΡ?t=FD(u-uΡ)+g(ρΡ-ρ)ρΡ+FC2粘性力與雷諾數(shù)的特性相似根據(jù)相似理論,用縮小的模型在風(fēng)洞中再現(xiàn)實(shí)際大氣邊界層和風(fēng)雪流的運(yùn)動(dòng)特性,故要求試驗(yàn)滿足一定的現(xiàn)象相似條件,主要包括幾何相似、運(yùn)動(dòng)相似、動(dòng)力相似。其中幾何相似是前提,動(dòng)力相似是關(guān)鍵,運(yùn)動(dòng)相似是表象。通過對(duì)試驗(yàn)?zāi)康募坝绊懸蛩剡M(jìn)行深入分析與研究,認(rèn)為粘性力是本次試驗(yàn)應(yīng)重點(diǎn)考慮的物理參數(shù),從而確定應(yīng)首先保證兩個(gè)系統(tǒng)的雷諾數(shù)一致。經(jīng)分析,試驗(yàn)流體的雷諾數(shù)在105～106之間,已經(jīng)達(dá)到自模擬區(qū),其特點(diǎn)是隨著速度的增大,阻力系數(shù)基本不變,因此,可直接采取實(shí)際的風(fēng)速。至于粒子的雷諾數(shù),由于其非常小,對(duì)流場(chǎng)的影響較小,在此不予與考慮。3非定常流動(dòng)測(cè)量由于傳統(tǒng)測(cè)量技術(shù)的局限性,我們經(jīng)過調(diào)查分析后認(rèn)為可把PIV作為精確測(cè)量風(fēng)吹雪風(fēng)洞試驗(yàn)復(fù)雜流場(chǎng)的定量工具;把PDA作為測(cè)量流場(chǎng)的速度分布和粒子濃度的空間分布,以及獲取輸雪量、輸雪率等信息的工具。利用先進(jìn)的粒子圖像測(cè)速技術(shù)PIV,它可以實(shí)現(xiàn)對(duì)非定常流動(dòng)進(jìn)行整場(chǎng)、瞬時(shí)、非接觸定量測(cè)量。它完全突破了空間單點(diǎn)測(cè)量技術(shù)的局限性,可在同一時(shí)刻記錄下整個(gè)測(cè)量平面的有關(guān)信息,從而可以獲得流動(dòng)的瞬時(shí)平面速度場(chǎng)、脈動(dòng)速度場(chǎng)、渦量場(chǎng)和雷諾應(yīng)力分布等。非常適于研究渦流、湍流等復(fù)雜的流動(dòng)結(jié)構(gòu)的測(cè)量,是一種可靠的整體測(cè)量技術(shù)。PDA——相多普勒顆粒動(dòng)態(tài)分析儀也是一種非接觸的測(cè)試方式,它既不影響流場(chǎng)也不影響粒子,是當(dāng)今測(cè)量顆粒動(dòng)態(tài)特性的最先進(jìn)的工具之一。它可以在不干擾流場(chǎng)的基礎(chǔ)上,同時(shí)采集氣固兩相速度和顆粒粒徑信號(hào),進(jìn)而可以分析出時(shí)間、空間內(nèi)的顆粒濃度分析、兩相滑移速度、各種脈動(dòng)指數(shù)和湍動(dòng)能分布等。因此,利用PDA測(cè)量風(fēng)吹雪風(fēng)洞試驗(yàn)中氣固兩相的速度、顆粒粒徑分布及垂直高度和水平距離顆粒濃度分布規(guī)律是很好的選擇。4fluen網(wǎng)格技術(shù)眾所周知,實(shí)地觀測(cè)和風(fēng)洞試驗(yàn)是研究風(fēng)雪流的最佳途徑。但由于受到季節(jié)和資金等條件的限制,不能較為詳細(xì)和系統(tǒng)的研究風(fēng)雪流的形成機(jī)理。近些年來,“數(shù)值風(fēng)洞”應(yīng)運(yùn)而生,它不受時(shí)間和場(chǎng)地的限制,并節(jié)省了大量資金。彌補(bǔ)了實(shí)地觀測(cè)和風(fēng)洞試驗(yàn)的不足。FLUENT是FLUENT公司的通用CFD求解器,它采用結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格和控制體積方法?？梢越鉀Q從不可壓縮流到中等程度的可壓縮流動(dòng)問題,特別適合于解決幾何較為簡(jiǎn)單,但物理現(xiàn)象特別復(fù)雜的流動(dòng)問題。FLUENT主要用來求解不可壓縮流動(dòng)和中等可壓縮性的流動(dòng)問題。FLUENT基于壓力修正的非耦合算法,并采用了多重網(wǎng)格技術(shù)。對(duì)很多復(fù)雜的流動(dòng)現(xiàn)象,FLUENT的收斂速度快、精度高。目前,FLUENT采用結(jié)構(gòu)化的四邊形/六面體網(wǎng)格,對(duì)湍流、傳熱、多相流、化學(xué)反應(yīng)和燃燒等復(fù)雜現(xiàn)象提供了豐富、有效的物理模型。FLUENT是用于模擬具有復(fù)雜外形的流體流動(dòng)以及熱傳導(dǎo)的計(jì)算機(jī)程序。它提供了完全的網(wǎng)格靈活性,你可以使用非結(jié)構(gòu)網(wǎng)格,例如二維三角形或四邊形網(wǎng)格、三維四面體/六面體/金字塔形網(wǎng)格來解決具有復(fù)雜外形的流動(dòng)。甚至可以用混合型非結(jié)構(gòu)網(wǎng)格。它允許你根據(jù)解的具體情況對(duì)網(wǎng)格進(jìn)行修改(細(xì)化/粗化)。對(duì)于大梯度區(qū)域,如自由剪切層和邊界層,為了非常準(zhǔn)確的預(yù)測(cè)流動(dòng),解適應(yīng)網(wǎng)格是非常有用的。與結(jié)構(gòu)網(wǎng)格和塊結(jié)構(gòu)網(wǎng)格相比,這一特點(diǎn)很明顯地減少了產(chǎn)生“好”網(wǎng)格所需要的時(shí)間。對(duì)于給定精度,解適應(yīng)精煉方法(solution-adaptiverefinement)使網(wǎng)格精煉方法變得很簡(jiǎn)單,并且減少了計(jì)算量。其原因在于:網(wǎng)格精煉僅限于那些需要更多網(wǎng)格解的區(qū)域。FLUENT是用C語言寫的,因此具有很大的靈活性與能力。因此,動(dòng)態(tài)內(nèi)存分配,高效數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu),靈活的解控制都是可能的。除此之外,為了高效的執(zhí)行,交互的控制,以及靈活的適應(yīng)各種機(jī)器與操作系統(tǒng),FLUENT使用client/server結(jié)構(gòu),因此它允許同時(shí)在用戶桌面工作站和強(qiáng)有力的服務(wù)器上分離地運(yùn)行程序。在FLUENT中,解的計(jì)算與顯示可以通過交互界面,菜單界面來完成。用戶界面是通過Scheme語言及LISPdialect寫就的。高級(jí)用戶可以通過寫菜單宏及菜單函數(shù)自定義及優(yōu)化界面。5動(dòng)網(wǎng)格的計(jì)算域在風(fēng)雪流中,雪的堆積是隨著風(fēng)和時(shí)間的變化而變化的,也就是說,風(fēng)雪流的計(jì)算域是不斷發(fā)生變化的。而在以往的流體力學(xué)計(jì)算方法和計(jì)算軟件中,流體的計(jì)算域是不能發(fā)生變化的,只能預(yù)設(shè)時(shí)間步,粗略估計(jì)計(jì)算域變化的位置和高度。FLUENT公司新近推出的FLUENT6.1中,增加的動(dòng)網(wǎng)格技術(shù)恰好能夠解決這個(gè)難題。這種技術(shù)能夠隨著化學(xué)變化和物理變化實(shí)時(shí)改變計(jì)算域,大大提高了求解的精度。6基于多相流模型的fluen模型在前面的分析中,已經(jīng)得出風(fēng)雪流是非典型的二相流。因此,必須用到多相流模型。在FLUENT中,是采用逐步迭代的方法來研究各相之間的相互作用的。FLUENT提供了多種多相流模型,根據(jù)實(shí)際研究問題的情況,確定多相系統(tǒng)的流動(dòng)模式,并選擇多相流模型。7顆粒群與可能的耦合過程除了求解連續(xù)相的輸運(yùn)方程,FLUENT也可以在拉氏坐標(biāo)下模擬流場(chǎng)中離散的第二相。由球形顆粒(代表液滴或氣泡)構(gòu)成的第二相分布在連續(xù)相中。FLUENT可以計(jì)算這些顆粒的軌道以及由顆粒引起的熱量/質(zhì)量傳遞。相間耦合以及耦合結(jié)果對(duì)離散相軌道、連續(xù)相流動(dòng)的影響均可考慮進(jìn)去。FLUENT可以模擬各種涉及離散相的問題,諸如:顆粒分離與分級(jí)、噴霧干燥、氣溶膠擴(kuò)散過程、液體中氣泡的攪渾、液體燃料的燃燒以及煤粉燃燒。對(duì)于湍流中的顆粒,FLUENT采用隨機(jī)軌道模型或顆粒群模型可考慮顆粒湍流擴(kuò)散的影響。在隨機(jī)軌道模型中,通過應(yīng)用隨機(jī)方法來考慮瞬時(shí)湍流速度對(duì)顆粒軌道的影響。而顆粒群模型則是跟蹤由統(tǒng)計(jì)平均決定的一個(gè)“平均”軌道。顆粒群中的顆粒濃度分布假設(shè)服從高斯概率分布函數(shù)。兩種模型中,顆粒對(duì)連續(xù)相湍流的生成與耗散均沒有直接影響。8動(dòng)態(tài)-脈動(dòng)方程模擬湍流流動(dòng)的特征就是速度場(chǎng)是脈動(dòng)的。速度的脈動(dòng)使得輸送量