边坡坡度对路堤周围积雪分布影响规律的数值模拟研究

道路风吹雪灾害是雪灾害地区重要的灾害类型,对交通出行等造成很大威胁。该文以二维路堤为研究对象,通过Fluent软件对不同边坡坡度下的路堤进行流场模拟,得到了不同边坡坡度下路堤周围的风速和壁面剪切速度,进而从雪颗粒运动机理上分析边坡坡度对路堤周围积雪分布的影响。结果表明:路堤周围的流场与路堤表面的剪切速度有很好的对应关系;较缓的迎风边坡可减少路堤周围的积雪,在风吹雪灾害频发的地区进行道路建设时建议选取小边坡坡度的路堤;研究结果可为路堤的工程建设提供参考。     

防雪栅与路基间距对路基积雪分布影响规律的数值模拟研究

防雪栅是目前道路风吹雪灾害地区主要的防护设施,该研究结合数值模拟和现场实测方法,研究防雪栅与路基的布置间距对路基周围积雪分布的影响规律,进而分析积雪堆积机理。结果表明:数值模拟结果与现场实测结果有很好的对应关系,验证了结果的正确性;随着路堤与防雪栅间距的增大,路堤两个坡脚处的风速减小区范围均呈先增大后减小的趋势。路堤表面各部分的剪切速度均呈先增大后减小又增大的趋势,透风率为60%的防雪栅与路堤的最不利组合间距为16.67倍的防雪栅高度;随着路堑与防雪栅间距的增大,路堑内部积雪不易消除,因此防雪栅对路堑的挡雪效果不佳;运用剪切速度能够清晰地判断路基表面的积雪堆积与侵蚀,建议在风吹雪灾害频发地区修建铁路前可先采用该方法对工程表面的积雪堆积与侵蚀进行预判断,可合理确定工程中防雪栅布置的位置。     

坡度及防雪栅对路堤周边流场影响的数值研究

路堤边坡坡度是影响路堤周边流场的重要因素,防雪栅是道路风吹雪灾害中常见的防雪措施,通过改变边坡坡度以及在路堤的迎风侧合理设置防雪栅,有利于改善路堤周边的积雪分布。采用数值模拟方法研究不同边坡坡度的路堤的流场特性,分析路堤积雪分布,在此基础上,在路堤迎风侧设置防雪栅研究不同层数防雪栅对路堤的挡雪效果。结果表明:路堤的绕流场特性与边坡坡度密切相关,气流流过路堤形成的风速减弱区范围与边坡坡度成正比;通过在合理位置设置合理参数的防雪栅,可以改善路堤周边流场并减弱风雪流从而起到阻雪的效果。     

边坡坡度对路堤风吹雪影响研究

路堤边坡坡度是影响风吹雪区域路堤积雪的重要因素,利用现场模型试验以及流场数值模拟的方法,研究边坡坡度对路堤积雪影响规律,分析积雪形成机理。结果表明:路堤周围积雪范围与流场风速减弱区域存在较好的对应关系,但并非定量对应,用流场中风速减弱区域简单地定量判断积雪范围的方法误差较大;迎风边坡坡度的改变对路堤周围积雪分布影响较大,较缓的迎风边坡坡度将有效地减小路堤周围积雪量和积雪范围,路面更不易形成积雪,可以减小风雪流对路堤工程的危害;背风边坡坡度的改变对路堤周围积雪影响较小,路堤设计时可作为次要因素考虑;根据试验和模拟结果得出路面不易积雪的临界边坡坡度在40°和45°之间,保守起见,建议工程应用中取40°为路面不易积雪的临界边坡坡度。     

风致积雪重分布的拉格朗日方法与现场实测研究

采用拉格朗日方法,模拟了立方体周围积雪重分布的情况,同时在东北地区利用真实的雪颗粒对立方体周围积雪重分布进行了现场实测。将数值模拟和现场实测结果进行比较,两者在整体趋势上吻合较好。在立方体前方处均发生积雪沉积;在立方体侧边迎风端出现积雪侵蚀;在立方体的背风区,侵蚀量较小。由于该文的数值模拟方法未考虑横风向风速对雪粒的作用,在立方体迎风前方的底部,数值模拟方法的结果与实测有一定的差异。该文还分析了数值模拟中的雪颗粒阈值摩擦速度对积雪沉积侵蚀的影响。     

风致路堑积雪演化过程试验与模拟研究EI北大核心CSCD

路堑是交通线路常见的路基断面形式,因断面构造特征较路堤更容易发生风致雪灾害。为了给实际道路断面形式设计和风吹雪灾害防治提供建议和参考,采用风洞试验与数值模拟方法,研究了4种不同开敞形式的路堑在不同风速下风致雪漂移堆积演化过程,分析了风速和路堑开敞形式对积雪分布和演化过程的影响,并基于路面积雪量和积雪深度评估了不同路堑抵御雪灾害能力。结果表明:当上风侧边坡坡度大于下风侧边坡坡度时,路堑路面积雪量最少,路面的积雪最薄;增大风速和增加持续时间会加剧路面积雪,是影响积雪分布的重要因素;改变路堑边坡对减少路面积雪量作用有限,需设置其他防治措施来减轻道路风致雪灾害。     

建筑屋盖表面及其周围积雪分布研究

准确预测建筑屋盖表面和建筑周围的积雪空间分布形式是防止雪灾发生的重要手段。基于Euler-Euler方法,假定空气相和雪相均为连续相,运用计算流体力学软件FLUENT 17.0,采用Mixture多相流模型和k-kl-ω湍流模型模拟了立方体周围和高低屋盖表面的风致雪漂移。首先采用四组网格,以立方体为研究对象进行网格无关性验证;随后模拟了立方体周围风场并比较了迎风中线的平均风压系数,结果显示k-kl-ω湍流模型与实测结果吻合较好;最后模拟了立方体周围和高低屋盖表面的积雪分布并与实测和风洞试验结果进行了对比,侵蚀、沉积趋势一致。     

建筑物周边风致雪漂移的数值模拟研究

利用计算流体力学软件FLUENT,基于Euler-Euler方法,假定空气相和雪相均为连续相,采用Mixture多相流模型对建筑物周边的风雪漂移进行了数值模拟。采用有限体积法和SIMPLE压力校正算法来实现非线性离散化方程的解耦和迭代求解。以防雪栏为研究对象,通过不同湍流模型模拟其周边雪漂移的情况,结果表明k-kl-ω模型能较好的模拟风雪漂移。在此基础上对立方体周围的风雪漂移进行了数值模拟,数值模拟结果与实测结果积雪分布规律相一致,验证了该文数值模拟方法的有效性。     

长宽比对长方体周边风致积雪分布影响

建筑物周边风致积雪是冬季多雪大风地区最常见的自然灾害之一。由于风吹雪的机理复杂,虽然数值模拟方法近几年取得了丰硕的成果,但方程及参数设置仍存在不足,实测数据库中又仅有在风雪流中单个立方体模型周边积雪的实测对比数据,模拟方法得不到广泛验证,缺乏模型的多样性限制了预测方法的进一步提升和推广。为了揭示不同长宽比对建筑物周边积雪分布的影响,对不同工况下长方体周边积雪分布进行了现场实测,同时用数值模拟方法模拟了不同工况下长方体周边风场,讨论了风场与其积雪分布的关系。结果表明:该模拟方法利用模型周边风速分布能较好地推测出积雪侵蚀堆积范围,对于不同长宽比的建筑,迎风侧积雪分布只与建筑高度有关,长宽比对其影响不大,横风向侵蚀影响范围与建筑长度成正比,且背风侧侵蚀范围受建筑长度影响较大,建筑宽度对其周边积雪分布影响较小。     

风速和持续时间对立方体周边风致积雪演化影响研究

建筑物周边风致积雪是冬季多雪大风地区最常见的自然灾害之一.由于风吹雪的机理复杂,虽然数值模拟方法近几年取得了丰硕的成果,但是仍缺乏在稳定风雪条件下的广泛验证,限制了其预测方法的进一步提升和推广.为了揭示风速和持续时间对立方体周边积雪演化过程的影响,该文在西北严寒地区的稳定吹雪条件下,对不同风速下立方体模型周边不同时刻的...     

风雪绕流数值模拟的积雪预测模型研究

为研究钝体风雪绕流效应下的地表积雪现象,根据壁面剪切机制及空间混合理论共同确立了积雪预测模型,采用欧拉框架单流体方法对1 m高度立方体模型周边的风雪两相流动情况及空间雪相浓度进行了求解。通过对比不同积雪模型下沉积预测指标在绕流区域的分布情况,及以此得到的积雪预测形态与实测结果的差异发现:该文采用的积雪模型不完全依赖于当地摩阻风速与临界起动风速的相对关系,一定程度上避免了模型参数的取值局限,对沉积现象的反映更为直观;由于综合了两套理论并引入沉积量估计的双重动态指标,该文对于雪面侵蚀及沉积区域的界定划分较为清晰,对积雪形态的预测包括雪面极值位置的捕捉、坡面起伏规律的再现,都较已有数值计算结果更为合理。模型方法可用于其他外形地物绕流下的地表积雪现象模拟。     

考虑摩擦速度修正的风致积雪重分布模拟方法研究

采用拉格朗日方法模拟了风致积雪漂移现象,在数值模拟中考虑了颗粒运动后质量浓度对雪层表面摩擦速度的修正。以立方体周围积雪重分布为例,考虑了摩擦速度修正与否对模拟结果的影响。在低风速下,考虑摩擦速度修正对模拟结果的影响不显著。在高风速下考虑摩擦速度修正后,立方体附近颗粒较多的马蹄形区域内摩擦速度与质量浓度的变化最为显著。风速越高,计算域中雪粒总数的减少幅度越大,计算域内的侵蚀或沉积质量通量也越大。     

高寒地区交通线路风速及风向预测研究

高寒地区交通线路风吹雪灾害严重，对交通线路全线天气状况的预测对于该类灾害的预测至关重要，目前该方面的研究仍然比较缺乏。该文采用WRF(天气研究预报模型)中尺度天气数值模拟，以新疆克塔铁路为研究对象，模拟该线路所在区域2018年-2019年冬季的天气状况。通过水平分辨率10 km～2 km的双重嵌套模拟，调整微物理方案及行星边界层方案，得到铁路沿线不同路段风速分布概率以及相应的主导风向。研究表明：WRF模拟结果能够较好的反映出道路沿线各路段不同的风速概率分布，结合主导风向与线路夹角，为预测不同路段发生风吹雪灾害的概率提供更加精确地依据，并为道路选线以及路段形式的设计提供参考。     

湍流入口条件下建筑非定常风场的大涡模拟

考虑湍流入口条件对绕德州理工大学标准模型的三维非定常风场进行了数值模拟;比较了稳态入口边界条件下时均风速剖面形状对建筑表面压力分布的影响;分别采用旋涡法、谱合成法和预前模拟法生成湍流入口风速脉动;并将相应的大涡模拟结果与实测数据和风洞试验数据进行了对比分析。结果表明:时均风速剖面形状对时均流场的影响几乎可以忽略,但对瞬态流场的计算有很大影响,工程应用中建议根据当地实测数据修正风速剖面公式;采用由预前模拟法生成的湍流作为入口边界条件进行大涡模拟得到的建筑表面风压非定常特性与实际情况最为吻合;通过高精度插值算法,预生成的入口湍流时程数据能在位于相同地貌下不同建筑绕流的大涡模拟中反复使用,在一定程度上弥补了预前模拟耗时的缺陷。     

通气空化多相流动特性的实验与数值研究

为了进一步分析通气空化多相流的特性,采用实验和数值模拟相结合的方法,对绕带空化器回转体的通气两相流动和通气三相流动的结构进行了对比分析。实验中采用高速全流场流动显示技术获得了通气空化多相流动的空泡形态;数值模拟中采用滤波器湍流模型（FBM）进行了数值计算,获得了空泡形态和流线分布,数值模拟获得的空泡形态与实验一致。结果表明,由于空化数的不同,在相同通气率下,绕回转体通气空化三相流动的空泡形态不同于通气两相流动;同时空泡的非定常行为也发生了大的变化。     

拱形屋盖结构不平衡雪荷载的模拟研究

该文利用基于有限面元(Finite Area Element,FAE)方法对拱形屋面的不均匀积雪荷载进行了研究。首先设计制作了缩尺比为1∶100、矢跨比为0.125的拱形屋面风洞试验模型,通过风洞试验测得屋面平均风速大小,结合CFD数值模拟确定平均风速方向,再基于FAE方法利用风速-雪通量经验公式计算得到屋面的积雪分布系数;并分析了不同风速和不同风向角对屋面积雪分布系数及不平衡雪荷载的影响。其次,对基于FAE方法计算得到的积雪分布系数、基于两相流的CFD数值模拟结果以及我国现行《建筑结构荷载规范》GB 50009-2012的结果进行了比较。最后,总结了屋面雪荷载分布规律,给出了针对这类大跨结构雪荷载设计的一些建议。     

高层建筑周围定常风场的数值模拟

通过对高层建筑周围定常风场的数值模拟与原型试验结果的比较，分析了在进行数值模拟时，入口边界条件和湍流模型等因素对计算结果的影响。模拟结果表明，入口边界条件和湍流模型均对模拟结果具有较大影响。其中，入口边界条件中速度分布对计算结果的影响大于湍流强度分布对计算结果的影响，而RNGk-s湍流模型的计算精度优于标准κ-ε湍流模型。     

行驶车辆对城市街谷内空气流动与污染物扩散影响的数值模拟

通过城市街谷内单个车辆在任意时刻对空气的曳力计算,提出更具一般意义的欧拉-拉格朗日方法,实现对行驶车辆引起空气流动及湍流的模拟。模拟结果显示,在不同的背景来流风速下,行驶车辆对街谷内湍流有显著影响,而对平均流场的影响相对较弱;行驶车辆诱导的湍流主要分布的靠近路面的区域,且在靠近背风面的地方湍流强度增大最为显著;街谷内行驶车流诱导湍流强度及分布受背景来流风速的影响显著,而受车辆行驶速度的影响相对较弱。街谷内行驶车流对风场的影响非常复杂,简单地以车辆行驶速度或背景来流风速进行参数化的模型很难模拟不同情形下的流场特征。     

空旷平坦地面非平稳强风湍流特性研究

根据1128h的实测强风风速样本,对某空旷平坦地貌下10 m高度处的非平稳强风风场湍流特性进行了研究。基于平均风速在基本时距内的平稳性,建立了非平稳强风风场的平稳风速模型和非平稳风速模型,分别计算这两类模型下的各风场湍流特征参数并加以对比。结果表明:55%的实测风速样本具有较强的非平稳性,采用非平稳风速模型更能反映实际风场风速;研究湍流特征参数随平均风速的变化规律,其中湍流强度随风速变化不明显,主要集中在0.16~0.20,大于我国现行荷载规范规定的B类场地10 m高度湍流度值0.14;阵风因子随平均风速减小,湍流积分尺度则随之增大;相对于其他风速谱,Davenport谱更能准确描述强风风场的能量分布。     

有机粉尘爆炸的数值模拟

介绍了有机粉尘爆炸的数学模型 ,并分别对 12m3圆筒形容器内的淀粉爆炸和长管中的煤粉爆炸进行了数值模拟。两相流模型采用欧拉 -拉格朗日模型 ,用拉格朗日坐标追踪颗粒的轨迹 ,采用这种方法可以很好地考虑颗粒的粒径分布。用k -ε模型模拟气相湍流 ,颗粒的脉动由周围气相的随机脉动求得。在燃烧模型中 ,考虑了水分的蒸发、挥发分的挥发、气相反应和颗粒的表面反应。方程的求解采用了算子分裂方法和FCT格式。上述有机粉尘爆炸模型是一种通用的模型 ,既能模拟粉尘 /空气混合物在低马赫数下的爆燃 ,也能模拟激波和爆轰。数值模拟结果与前人的实验结果进行了部分对比 ,二者相符得较好