风障流动特性的风洞实验研究

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风障技术被广泛用于对地表物体的防护,它通过改变近地面大气流动结构而能够形成局地的小气候。进行风障流动特性的研究对于提高防护效应有重要的应用价值。本研究的目的在于揭示风障流动的特性,探讨风障防护效应的原因。在环境风洞中进行的实验对模型风障流动的基本量---速度和压力---进行了测量,对风障前后流动的特性进行了分析和探讨。 本研究首先探讨了风洞模拟研究的一般性理论和技术实现手段,进而对进行风障流动特性研究的模型风障进行了预备实验研究,从流动的平均速度场出发,选取了最终进行风障流动特性研究的风障模型。 在湍流结构方面,对风障前后近地面的大尺度湍涡结构进行了压力测量和分析。地表压力测量结果表明,相干条纹与所在地表的流动有关。垂直压力测量结果表明,无风障情形近地面层中湍流有大尺度(实验条件下大致在1m)的高低压交替出现的间歇结构,而风障的存在改变了这种大尺度间歇结构。在风障流动中,这种大尺度的间歇性结构出现在风障顶部,风障高度以下压力变化很小。 用V型热膜探头测量了模型风障流动的流动方向和垂直方向的脉动速度,进而对获得的湍流速度信号进行了功率谱分析、子波分析、平均雷诺应力分析和瞬时雷诺应力的象限分析。谱分析结果表明,风障可以有效地降低湍流能量;子波分析则揭示出在风障防护区可以到20倍网高以远,间歇性高能量湍流发生的频率大大低于风障前方来流;平均雷诺应力分析表明,风障静风区平均雷诺应力很低,对应于被抑制的湍流流动结构;获得的雷诺应力场表明风障前方来流雷诺应力主轴方向与地表之间的角度在0~45°,而风障后静风区雷诺应力非常小,几乎可看作是各向同性的;对瞬时雷诺应力的象限分析表明,在风障后8倍网高以内的静风区,以风障前方来流的平均雷诺应力为参考,湍流的内外交换、下扫和抛射行为的贡献率都很低,而在恢复区,下扫行为的贡献高于抛射行为,所占用的时间也高于抛射时间。 风障在降低平均风速的同时抑制了湍流结构的发展,从而起到防风和防尘的作用。
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