龙卷风风场数值模拟及发生装置研制

摘要

龙卷风是一种极端天气，具有持续时间短、风力大、破坏力强和难以预测等特点。在地球上除南极洲外，其它大洲都有龙卷风发生，北美和欧洲更是龙卷风的多发地。全球每年因龙卷风造成的经济损失和人员伤亡都十分巨大。虽然人们通过数值模拟、实验模拟和现场测量等方法进行了大量研究，但对于龙卷风的生成机理、结构特点和破坏方式还没有统一的定论。近年来，人们在研究龙卷风时发现了其在旋风分离器和航空发动机等领域的实际应用价值，另外还有研究者提出了利用龙卷风发电的设想。因此，无论是防范龙卷风造成灾害还是利用龙卷风产生价值，都需要对龙卷风进行系统而全面的研究。这对于社会经济发展和人类生存环境的保护都有重要的意义。
　　本文采用数值模拟的方法来研究龙卷风的内部结构和速度分布，分析各种因素对龙卷风风场造成的影响，设计并制造了龙卷风发生器。主要研究内容如下：
　　对已有的龙卷风发生装置进行简化，建立了数值模拟的物理模型，包括入流区、对流区和出流区三个组成部分。使用商用软件FLUENT来进行数值模拟，并将数值模拟结果与实际测量结果进行了比较，验证了本文数值模拟方法的准确性。
　　研究了龙卷风风场的内部结构和流场特性，发现了不同结构转换的临界涡流比，得到了风场的速度分布和核心半径的变化规律。由于现实中龙卷风是移动的，并且经常会经过城镇，因此分析了平移、粗糙表面对龙卷风风场的影响。在本次数值模拟中，入口风速和模型尺寸是可变因素，所以研究了其对龙卷风风场的影响。
　　根据数值模拟结果，提出并设计了一种新的龙卷风发生装置，通过实验测量数据与数值模拟结果进行对比，验证了该装置可以产生近似龙卷风的风场。
　　本文采用计算流体力学方法，研究结果为实验研究龙卷风提供了新的发生装置，为龙卷风在实际中应用奠定了基础。

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第1章 绪论

1.1课题来源及研究的背景与意义

1.1.1 课题的来源

1.1.2 课题研究的背景与意义

1.2国内外对龙卷风的研究现状

1.2.1国外研究现状

1.2.2国内研究现状

1.3主要研究内容

第2章 数值模拟方法及验证

2.1数值模拟方法

2.1.1控制方程

2.1.2湍流模型

2.1.3控制方程离散方法

2.1.4边界条件

2.2数值方法验证

2.2.1验证模型及参数

2.2.2网格无关性验证

2.3本章小结

第3章 龙卷风风场特征分析及影响因素

3.1龙卷风风场特征分析

3.1.1 计算模型及参数

3.1.2 龙卷风风场结构分析

3.1.3 龙卷风风场流场分析

3.2不同因素对龙卷风风场特性的影响

3.2.1 龙卷风自身平移对风场的影响

3.2.2 粗糙表面对龙卷风风场的影响

3.2.3 入口风速对龙卷风风场的影响

3.2.4 模型尺寸对龙卷风风场的影响

3.3本章小结

第4章 龙卷风发生器设计及实验

4.1龙卷风发生器设计

4.1.1 龙卷风发生器设计要点

4.1.2 龙卷风发生器机构

4.1.3 龙卷风发生器材料选择

4.1.4 龙卷风发生器工作原理

4.2龙卷风模拟实验

4.2.1实验装置和测量

4.2.2实验结果及分析

4.3本章小结

结论

参考文献

攻读学位期间发表的学术论文

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