风洞试验与数值模拟方法微地形风场研究

赵永胜，丁杰华，黄传华

(中国电力工程顾问集团中南电力设计院有限公司，湖北 武汉 430071)

设计风速对送电线路的安全性和造价影响很大。设计风速偏小会造成断线、倒塔等事故，偏大不利于线路的经济性。山区风场设计风速的确定向来是难题，《建筑结构荷载规范》中指出了抬升地形风速修正系数计算公式，该公式考虑了山体高度、坡度等因素的影响，公式偏于概化，规范指出垭口、峡谷风道等微地形的风速修正系数为1.2～1.5，但该规范中规定的风速修正系数范围太大，具体操作时取值上限还是下限差别很大，所以无法完全解决此问题，只能作为一种参考。

国内外对风速的研究主要采用现场实测、风洞试验和数值模拟三种方法。

现场实测是风场分析研究最准确的方法，但是现场实测难度较大，具有代表性的微地形地点不易选取，高大建筑物或者树木均会影响实测的精度，达到20 m/s的大风过程难以捕捉，风速仪的维护费用也较高。

数值模拟是在计算机上对物体周围风场进行数值求解(通常称为计算流体力学CFD)，从而仿真实际的风场环境。数值模拟方法速度快、成本低、灵活、直观并且易于理解。数值模拟在中尺度的大气数值模式对局部细微流场的模拟效果不理想，直接用CFD软件模拟又受到目前计算机计算能力的限制，所以数值模拟的精度略低于现场实测和风洞试验。

由于数值模拟的灵活性及低成本，使该方法成为研究风速变化规律的主要方式，本文采用典型微地形中的抬升地形模型进行风洞试验和数值模拟方法研究，对比两种方法模拟结果的异同，验证数值模拟方法的可靠性。

1 模型创建

抬升地形指平原或丘陵中拔地而起的山峰或盆地中一侧较低另一侧较高的台地及陡崖，见图1。

图1 抬升地形示意图

根据图1创建抬升地形模型，模型迎风坡部分采用余弦形山体，物理模型缩尺比为1∶500，模型示意图见图2。

图2 抬升地形模型示意图

图2中L为模型宽度，H为山高，Lh为迎风坡投影长度的一半。

本文选用不同高度及坡度组合的抬升地形模型进行风洞试验及数值模拟研究，各模型参数见表1。

表1 抬升地形模型参数取值

2 模型试验结果

2.1 MODEL1成果分析

MODEL1模型测点x方向位置见图3，y向位于模型中线上，z方向从离地10 m开始至离地100 m均匀分布10个测点。

1.2.6 Transwell实验检测过表达miR-454-3p对SW480细胞侵袭能力的影响 将以无血清细胞培养液稀释的Matrigel基质胶包被transwell小室基底膜的上室表面,加入100 μL无血清培养基稀释的各组细胞悬液,在小室下层孔板中加入含10%血清的完全培养液，置于37℃孵箱培养培养24 h后取出培养小室的,湿棉签轻轻拭去上层小室内的基质胶和细胞，4%多聚甲醛固定后行结晶紫染色，晾干后，显微镜下选5个视野计数穿出细胞数目。

图3 MODEL1模型X方向测点布置图

MODEL1模型风洞试验成果见图4，数值模拟成果见图5。

图4 MODEL1风洞试验成果图

图5 MODEL1数值模拟成果图

由图4和图5分析得到：

(1)山脚的风速修正系数基本均小于1，体现了山体对风速的阻挡效应；越靠近山脚风速修正系数越小，山体的阻挡效应越明显。

(2)山坡顶点和山顶平台的风速修正系数均大于1，体现了山体对风速的加速效应；相同离地高度山坡顶点的风速修正系数大于山顶平台；山顶平台测点距山坡顶点越远，风速修正系数越小，山体对风速的加速效应越小。

(3)风洞试验得到山脚不同离地高度处风速修正系数相差较小；数值模拟得到山脚的风速修正系数在海拔30 m以下小于1，体现了山体对风速的阻挡效应，海拔30 m以上接近1，山体的对风速的影响非常有限。

(4)风洞试验得到山坡顶点和山顶平台的风速修正系数随离地高度的增加而减小，说明山体的加速效应在近地面处最显著，随离地高度的增加减弱；数值模拟得到山坡顶点和山顶平台的风速修正系数先增大增加后减小，说明地表粗糙度对风场的影响很大。

2.2 MODEL2成果分析

MODEL2模型测点x方向位置见图6，y向位于模型中线上，z方向从离地10 m开始至离地100 m均匀分布10个测点。

图6 MODEL2 X方向测点布置图

MODEL2风洞试验成果见图7，数值模拟成果见图8。

图7 MODEL2风洞试验成果图

图8 MODEL2数值模拟成果图

由图7和图8分析得到：

(1)山脚的风速修正系数基本小于1，体现了山体对风速的阻挡效应。

(2)山坡顶点和山顶平台的风速修正系数均大于1，体现了山体对风速的加速效应；同海拔高度山坡顶点的风速修正系数大于山顶平台处；风速修正系数随离地高度的增加而减小，说明山顶的加速效应在近地面处最显著，随离地高度的增加而减弱。

(3)风洞试验得到山脚不同离地高度风速修正系数相差较小；数值模拟得到山脚风速修正系数随离地高度的增加而增大，说明山顶的阻挡效应在近地面处最显著，随离地高度的增加而减弱。

2.3 MODEL3成果分析

MODEL3模型测点x方向位置见图3，y向位于模型中线上，z方向从离地10 m开始至离地100 m均匀分布10个测点。

MODEL3风洞试验成果见图9，数值模拟成果见图10。

图9 MODEL3风洞试验成果图

图10 MODEL3数值模拟成果图

由图9和图10可见，MODEL3的风速修正系数变化规律与MODEL1基本一致，说明在坡度(tanα)均为0.1的情况下，山高为50 m和100 m模型的风场较一致。

2.4 MODEL4成果分析

MODEL4模型测点x方向位置见图11，y向位于模型中线上，z方向从离地10 m开始至离地100 m均匀分布10个测点。

图11 MODEL4 X方向测点布置图

MODEL4风洞试验成果见图12，数值模拟成果见图13。

图12 MODEL4风洞试验成果图

图13 MODEL4数值模拟成果图

由图12和图13分析得到：

(1)山脚的风速修正系数基本小于1，体现了山体对风速的阻挡效应；风速修正系数随离地高度的增加而增大，说明山体的阻挡效应在近地面处最显著，随离地高度的增加减小。

(2)迎风坡半山腰(x/Lh＝－1)风速修正系数接近于1，随离地高度变化较小，说明半山腰山体对风速的影响不大。

(3)迎风坡3/4山腰(x/Lh＝－0.5)风速修正系数大于1，体现了山体对风速的加速效应；说明半山腰以下为阻挡效应，半山腰以上为加速效应。

(4)迎风坡3/4山腰、山坡顶点和山顶平台风速修正系数均大于1，体现了山体对风速的加速效应；风速修正系数随离地高度的增加而减小，说明山体的加速效应在近地面处最显著，随离地高度的增加减小；山坡顶点风速修正系数最大，迎风坡3/4山腰风速修正系数次大，说明加速效应最明显的位置在山坡顶点，其次为迎风坡半山腰以上，再次为山顶平台处；山顶平台测点距山坡顶点越远，风速修正系数越小，山体对风速的加速效应越小。

(5)风洞试验得到山顶平台的风速修正系数随离地高度的增加而减小，说明山体的加速效应在近地面处最显著，随离地高度的增加减弱；数值模拟得到山坡顶点和山顶平台的风速修正系数先增大增加后减小，说明地表粗糙度对风场的影响很大。

3 结语

本文通过对不同坡度与山高组合的抬升地形模型进行风洞试验和数值模拟分析，发现山体对风速既有加速效应也有阻挡效应。风洞试验与数值模拟两种方法的成果比较接近，说明数值模拟方法较可靠。数值模拟方法近地面处风速修正系数略小于风洞试验方法，这即与数值模型的地面粗糙度取值有关，也与模型方程近地面的湍流处理方法有关。