CN110516367B - 一种计算较小尺度内人工气流扰动逆温层范围和强度的方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种计算较小尺度内人工气流扰动逆温层范围和强度的方法，本发明将人工射流在大气中的流动分为了可压缩流动和不可压缩流动，通过分别计算可压缩流动区域和不可压缩流动区域的流场瞬态方程，能够得知人工射流扰动逆温层的范围和强度，本方法能够精确的计算出较小尺度下逆温层的扰动范围和强度，能够为机场、桥梁、高速公路除云除雾、治理城市大气污染提供一套整体解决方案，并且本方法相对于其它治理方式具有成本较低、使用灵活、效果明显等优势。

Description

一种计算较小尺度内人工气流扰动逆温层范围和强度的方法

技术领域

本发明属于逆温层扰动范围测算领域，具体涉及一种计算较小尺度内人工气流扰动逆温层范围和强度的方法。

背景技术

逆温层是指大气对流层中气温随高度增加的现象的层带。一般情况下，对流层中气温随高度增加而降低，但由于气象和地形条件影响，有时会出现气温随高度增加而升高的现象。由于逆温层的存在，造成局部大气上热下冷，阻碍了空气垂直运动的发展，使大量烟尘、污染物、水汽凝结物等聚集在它的下面，使能见度变差，加剧空气污染，尤其是城市及工业区上空，由于凝结核多，易产生雾霾天气，有的甚至造成严重的大气污染事件。

现在能够利用一种人工强气流喷射装置来扰动逆温层，但人工气流对逆温层扰动范围和强度如何确定，目前还没有一种成熟的算法来计算。

发明内容

本发明的目的在于提供一种计算较小尺度内人工气流扰动逆温层范围和强度的方法，能够准确的对扰动逆温层的范围和强度进行计算。

为了达到上述目的，本发明包括以下步骤：

步骤一，根据人工射流的速度，将人工射流沿着中心线在一定高度范围内，当流动马赫数大于0.3时，作为可压缩流动区域，当流动马赫数小于0.3时，作为不可压缩流动区域；

步骤二，通过湍流模型对可压缩流动区域进行模拟，得到可压缩流动区域内基于密度的流场瞬态方程；

步骤三，通过湍流模型对不可压缩流动区域进行模拟，通过基于压力的稳态求解得到不可压缩流动区域的流场瞬态方程；

步骤四，结合可压缩流动区域内的流场瞬态方程和不可压缩流动区域的流场瞬态方程，得到人工气流扰动逆温层的范围和强度。

步骤二中，对可压缩流动区域进行模拟的湍流模型采用SST k-ω模型。

步骤二中，湍流模型内输入人工射流距地距离、人工射流的喷射口径、可压缩流动区域的边界距离。

步骤二中，湍流模型对可压缩流动区域进行模拟，得到可压缩区域的网格，通过网格模拟可压缩流动区域内基于密度的流场瞬态方程。

步骤三中，对不可压缩流动区域进行模拟的湍流模型采用k-ω模型。

不可压缩流动区域采用倒锥形的渐变区域，在模拟时，在射流中心采用加密结构网格，射流中心的两侧区域采用非结构网格。

与现有技术相比，本发明将人工射流在大气中的流动分为了可压缩流动和不可压缩流动，通过分别计算可压缩流动区域和不可压缩流动区域的流场瞬态方程，能够得知人工射流扰动逆温层的范围和强度，本方法能够精确的计算出较小尺度下逆温层的扰动范围和强度，能够为机场、桥梁、高速公路除云除雾、治理城市大气污染提供一套整体解决方案，并且本方法相对于其它治理方式具有成本较低、使用灵活、效果明显等优势。

附图说明

图1为人工射流扰动逆温层的示意图；

图2为可压缩射流验证算例计算区域和计算网格的示意图；

图3为图2中左下角的局部放大图；

图4为可压缩射流验证算速度云图；

图5为可压缩射流验证算例射流轴线速度分布图；

图6为可压缩计算区域及边界条件设置示意图；

图7为人工强气流可压缩射流区域计算网格示意图；

图8为图7中右下角的局部放大图；

图9为人工强气流可压缩射流区域流场示意图；

图10为人工强气流可压缩射流不同高度上的速度廓线图；

图11为人工强气流可压缩射流不同高度上的速度廓线图；

图12为人工强气流装置射流不可压缩计算区域及边界条件示意图；

图13为人工强气流装置不可压缩射流区域计算网格图；

图14为图13底部的局部放大图；

图15为人工强气流装置不可压缩射流区域流场图；

图16为人工强气流不可压缩射流口附近区域流场图；

图17为射流沿中心轴线的速度变化曲线图；

图18为不同高度上的速度廓线图；

图19为不同高度上的速度廓线图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明作进一步说明。

参见图1，本发明包括以下步骤：

步骤一，根据人工射流的速度，将人工射流沿着中心线在一定高度范围内，当流动马赫数大于0.3时，作为可压缩流动区域，当流动马赫数小于0.3时，作为不可压缩流动区域；

步骤二，通过湍流模型对可压缩流动区域进行模拟，得到可压缩流动区域内基于密度的流场瞬态方程；

步骤三，通过湍流模型对不可压缩流动区域进行模拟，通过基于压力的稳态求解得到不可压缩流动区域的流场瞬态方程；

步骤四，结合可压缩流动区域内的流场瞬态方程和不可压缩流动区域的流场瞬态方程，得到人工气流扰动逆温层的范围和强度。

由于人工射流喷口的速度比较大，射流沿着中心线在一定高度范围内属于可压缩流动，当流动马赫数小于0.3后才进入不可压流动区域。这就决定了不同的流场区域必须采用不同的控制方程进行模拟计算。本发明模拟了人工射流喷口速度为常数时流动机理，分析了射流中心速度沿高度的变化规律以及射流的影响范围。可压缩区域除了求解连续性方程、动量方程还必须求解能量方程以及气体状态方程，而不可压缩区域只需求解连续性方程和动量方程。

为了验证本发明选取的湍流模型以及计算方法对可压缩射流流动的适用性，运用下面的例子对可压缩射流流动就行了验证。本次验证例子选取的具体计算参数见表1。

表1可压缩射流验证算例几何尺寸及边界条件

可压缩射流验证算例的计算区域及网格见图2，由于网格比较密集，全局网格很难看清具体特征。所以射流出口的网格细部在图3中做了显示。图4给出了可压缩射流验证算例的射流流场图，速度单位为m/s，流动由喷口喷出后，射流速度在复杂膨胀波的作用下出现了明显的波动，出现了马赫盘。离开喷口一段距离后射流中心速度才呈现沿射流中心线逐渐减小的特征。

定量的射流速度沿中心线的变化规律见图5。本发明得到的可压缩射流势核长度为0.33m，与同样的条件下实际的射流势核长度0.36m相比，相对误差为8.33％，误差较小，在合理的范围内，说明本发明选取的湍流模型以及计算方法对于可压缩射流的模拟是有效可靠的。

人工射流可压缩段湍流模型为SST k-ω模型，计算采用基于密度的瞬态求解方法，流体为理想气体。在本发明中，人工射流装置喷口离地2m，喷口的直径大小为0.5m。计算区域以及边界条件的设置见图6。图6中的边界为人工射流装置尾流射流管。边界条件除了人工射流装置射流管为压力入口，其它边界均为压力出口，入口压力为4.2atm，出口压力为1atm，射流周围的环境温度为288K。

人工射流装置可压缩射流计算区域的网格以及喷口附近的局部网格如图7所示，由图8的细部的网格图可以看出，本次计算根据计算需要综合应用了非结构网格和结构网格，射流中心区域的网格比较密集，根据形体变化采用了非结构网格。在本次模拟中射流以一定速度从喷口喷出后，可压缩段的射流速度都是先波动然后再沿射流中心轴线衰减，与验证算例的规律一致，如图9所示。在可压缩射流流场中形成了明显的马赫盘效应。尽管射流速度随高度减小了，但是射流的影响范围随着高度增加逐步扩大，射流影响区域成倒锥形。

图10和图11显示了不同高度上的人工射流装置可压缩射流速度廓线。由图10可见，人工射流在距离喷嘴出口10m内速度就降到了170m/s左右，速度急剧下降。射流很快就将进入不可压缩阶段。射流轮廓线呈现中间大，由射流中心沿径向减小的分布特征。人工射流装置可压缩射流中心速度减小很大，可压缩射流的影响范围随高度虽然有增加，但是增加并不是很明显，10m的影响区域半径为3m左右。

对于人工射流装置不可压缩射流段的计算，主要采用基于压力的稳态求解方法，流体为空气(密度为1.14kg/m3，粘性系数为1.76e-5)，湍流模型为标准k-ω模型，边界条件为速度入口和压力出口；其中，入口速度为提取自可压缩段相同高度(距喷嘴出口10m处)的速度，入口温度为提取自可压缩段相同高度(距喷嘴出口10m处)的温度；出口的相对压力为零。具体的计算区域及边界位置见图12。另外，考虑了大气中温度随高度的变化规律，计算区域的温度随高度逐渐减小，满足关系式T＝T0-0.006H，其中T0＝288K，H为高度(m)。采用SIMPLE求解器和二阶迎风格式进行稳态求解。

由于不可压缩计算区域考虑沿高度方向500m内的流场变化情况，计算空间尺寸较大，但是射流沿射流中心线成倒锥形分布，在越靠近底部的地方，流动影响区域较小。在保证计算准确性的前提下，为了节省计算量，本次研究不可压缩段计算区域也采用了倒锥形的渐变区域。在射流中心采用加密结构网格，提高计算精度。而在射流中心两侧区域为了适应变化的边界，采用非结构网格，具体见图13。由于网格太密，全计算区域的网格看不清楚所采用的计算网格特征，在图14中显示了全局计算网格底部区域的局部计算网格。

图15显示了人工射流不可压缩区域的流场图，由图15，可以发现不可压缩段射流影响区域逐渐扩大，射流速度沿射流中心线逐渐减小。在不可压的计算区域的速度分布也是中心最大，向射流边缘逐渐减小，说明不可压缩区域的速度入口设置是正确的。在图15中，为了很好的显示空间中流体速度较小区域的流场，速度的显示范围为较小，导致在速度入口区域高流体速度区域的流场细节很难显示。在图15中，速度高于10m/s的基本都是红色显示，会造成射流中心高速度区域沿中心线扩大的误解。为此在图16中给出了速度入口附近局部区域的流场，扩大了显示速度云图范围，可以清楚发现，仍然是射流中心速度最大，射流中心高速度区域并没有沿高度增大。

图17给出了人工强气流装置射流速度沿射流中心线的变化情况，该图同时包含了可压缩和不可压缩区域，在该图中线条表示本次CFD的模拟结果，圆圈表示实验值。由该图可以发现，CFD的模拟结果与同样条件下的实验值吻合良好，射流中心轴线的速度减小趋势一直，充分说明了本次人工强气流装置射流模拟结果的可靠性和准确性。图17显示人工强气流装置射流从喷口喷出后，在很小的高度内速度呈现强烈波动，甚至出现了大于出口速度的区域，具体流体机理已在可压缩段模拟分析中说明，是由于超音速射流导致的膨胀波产生的复杂流动现象。可压缩段的射流中心速度和不可压缩段的速度光滑连续分布，再次说明本次分区域数值模拟的是准确可靠的。图17显示，射流中心的速度在50m的高度内衰减很块，50m以上高度区域内速度减小趋于平缓。

射流速度沿中心线的变化图，并不能显示射流影响区域大小。对于人工射流，不仅关心垂向速度的最大极限高度，不同高度上射流的水平影响范围也是很重要的指标。图18和图19显示了不同高度上的速度廓线，虽然随着高度的增加射流速度逐渐减小，但是影响区域逐步扩大，在本次模拟中高度为500m时影响区域的直径达到了200m左右。

人工射流中心线速度在可压缩区域呈现出在喷口附近速度剧烈波动，然后沿中心线剧烈减小的趋势；

人工射流中心线速度在不可压缩区域沿高度逐步减小，在低空区域衰减很快，然后趋于稳定，减小变缓。

人工射流在空间的影响区域呈现倒锥形，随着高度的增加，射流速度减小，但是影响区域逐步扩大。

本发明可压缩段和不可压缩段的结果都与试验数据进行了对比，对比显示本研究的计算结果是准确可靠的。

增加射流速度(如从60％的功率增加至80％甚至100％的功率)，不会扩展射流的影响范围，但是会增加垂直扰动速度。

综合试验得出数据分析，单个人工射流装置对近地面的影响范围可达10平方公里以上。

Claims (6)

1.一种计算较小尺度内人工气流扰动逆温层范围和强度的方法，其特征在于，包括以下步骤：

步骤一，根据人工射流的速度，将人工射流沿着中心线在一定高度范围内，当流动马赫数大于0.3时，作为可压缩流动区域，当流动马赫数小于0.3时，作为不可压缩流动区域；

步骤二，通过湍流模型对可压缩流动区域进行模拟，得到可压缩流动区域内基于密度的流场瞬态方程；

步骤三，通过湍流模型对不可压缩流动区域进行模拟，通过基于压力的稳态求解得到不可压缩流动区域的流场瞬态方程；

步骤四，结合可压缩流动区域内的流场瞬态方程和不可压缩流动区域的流场瞬态方程，得到人工气流扰动逆温层的范围和强度。

2.根据权利要求1所述的一种计算较小尺度内人工气流扰动逆温层范围和强度的方法，其特征在于，步骤二中，对可压缩流动区域进行模拟的湍流模型采用SST k-ω模型。

3.根据权利要求1所述的一种计算较小尺度内人工气流扰动逆温层范围和强度的方法，其特征在于，步骤二中，湍流模型内输入人工射流距地距离、人工射流的喷射口径、可压缩流动区域的边界距离。

4.根据权利要求1所述的一种计算较小尺度内人工气流扰动逆温层范围和强度的方法，其特征在于，步骤二中，湍流模型对可压缩流动区域进行模拟，得到可压缩区域的网格，通过网格模拟可压缩流动区域内基于密度的流场瞬态方程。

5.根据权利要求1所述的一种计算较小尺度内人工气流扰动逆温层范围和强度的方法，其特征在于，步骤三中，对不可压缩流动区域进行模拟的湍流模型采用k-ω模型。

6.根据权利要求1所述的一种计算较小尺度内人工气流扰动逆温层范围和强度的方法，其特征在于，不可压缩流动区域采用倒锥形的渐变区域，在模拟时，在射流中心采用加密结构网格，射流中心的两侧区域采用非结构网格。

Images