三维下击暴流流场特征的数值仿真研究

论文摘要

沙尘暴是在土壤高度沙化地区出现的特殊灾害现象,其形成需满足充足沙源、强劲风力和不稳定大气环流等三个要素。然而,沙尘暴的动力条件的成因和沙尘壁锋面形态与下击暴流单体的动力结构特征有关。因此,掌握下击暴流风场结构特征为研究沙尘暴奠定了理论基础。当前,对沙尘暴的研究普遍是使用气象观测方法来探讨其成因分析和动力机制,而针对沙尘暴的动力条件,即下击暴流单体产生的地面强风的数值模拟较少。本文主要通过数值模拟研究稳态三维下击暴流风场特性,探讨了下击暴流风剖面特征,对模型的准确性进行了验证,并讨论了不同射流参数:入口速度Vjet、出流高度H和倾角?对雷暴冲击风流场特征的影响。主要研究内容包括以下几部分:1.详细介绍了下击暴流流场的基本控制方程,介绍了相应的湍流封闭模型,并选定SST k-?作为本文的湍流封闭模型,介绍了近壁面的处理方式。2.首先,将计算结果与Chay等人的实验结果进行对比,验证了模型的准确性和可行性。另外,得出下击暴流风场具有四个风剖面,结果表明其水平风速在接近地面一定高度内达到峰值风速,后随高度增加呈减小的特征,并且与指数分布的大气边界层风剖面截然不同。3.在以上基础上,讨论了入口速度Vjet、出流高度H和倾角?等不同参数对下击暴流的风剖面的影响。研究表明:入口速度Vjet对水平风速的竖向风剖面的影响较小;出流高度H与倾角?对水平风速竖向风剖面的影响较为显著。

论文目录

• 中文摘要
• Abstract
• 第一章 绪论
•   1.1 研究背景及意义
•   1.2 下击暴流概述
•     1.2.1 下击暴流形成机理
•     1.2.2 下击暴流的风场特征
•   1.3 下击暴流的研究现状
•     1.3.1 理论研究
•     1.3.2 现场观测
•     1.3.3 实验研究
•     1.3.4 数值模拟
•   1.4 本文的主要研究内容
• 第二章 下击暴流流场的理论模型
•   2.1 下击暴流风场模型介绍
•   2.2 紊动射流的控制方程
•   2.3 湍流封闭模型
•     2.3.1 单方程（Spalar-Allmaras）模型
•     2.3.2 标准k-ε模型
•     2.3.3 标准k-ω模型
•     2.3.4 SST k-ω模型
•   2.4 计算域离散化及求解
•   2.5 近壁面处理
•   2.6 求解设置及后处理
•   2.7 本章小结
• 第三章 三维下击暴流流场特征分析
•   3.1 数值模拟
•     3.1.1 几何模型尺寸以及参数设置
•     3.1.2 网格生成技术
•     3.1.3 数值模拟及求解设置
•   3.2 数值模拟正确性验证
•   3.3 下击暴流的风场结构
•     3.3.1 水平风速的风剖面
•     3.3.2 竖向风速的风剖面
•     3.3.3 下击暴流流场的矢量图与云图
•     3.3.4 地表压力系数分布特征
•     3.3.5 非线性边界层发展讨论
•   3.4 本章小结
• 第四章 不同射流参数对下击暴流风场的影响
•   4.1 倾角的概念
•   4.2 数值模拟
•     4.2.1 几何模型和网格划分技术
•     4.2.2 数值模拟与实验值对比
•   4.3 不同射流参数对下击暴流流场的影响
• jet的影响'>    4.3.1 入口速度V_jet的影响
•     4.3.2 出流高度H的影响
• r的影响'>    4.3.3 射流倾角α对下击暴流水平风速V_r的影响
• w的影响'>    4.3.4 射流倾角α对下击暴流竖向风速V_w的影响
•     4.3.5 倾斜下击暴流流场中不同位置处的风剖面
•   4.4 带倾角的下击暴流速度矢量
•   4.5 本章小结
• 第五章 结论与展望
•   5.1 主要结论
•   5.2 展望
• 参考文献
• 致谢

文章来源

类型: 硕士论文

作者: 李佳骏

导师: 武建军

关键词: 沙尘暴,下击暴流,数值模拟,流场特性,射流参数

来源: 兰州大学

年度: 2019

分类: 基础科学

专业: 气象学

单位: 兰州大学

基金: 国家重点研发计划项目:“中国北方干旱荒漠区沙漠化防治关键技术与示范”课题“北方半干旱荒漠区沙化土地形成的物理-生物机制”(2016YFC0500901)

分类号: P425.55

总页数: 69

文件大小: 3355K

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