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兰州中川机场周围地形和建筑物对风场的影响研究

2018-04-16蒋立辉刘晓宇熊兴隆

计算机与数字工程 2018年3期
关键词:中川风场风速

蒋立辉 刘晓宇 李 贞 熊兴隆 李 猛 陈 星

(1.天津市智能信号与图像处理重点实验室中国民航大学 天津 300300)(2.民航气象技术研究所 天津 300300)

1 引言

兰州中川机场是我国西北地区最大的民航枢纽机场之一,其年吞吐量接近800~1000万人次。但机场周边地区地形复杂,且临近的兰州新区处于快速发展的上升期,城市化建筑群颇具雏形,使复杂地形的几何特征更加突出。众多因素使得机场的气象环境条件,尤其是风场状态十分不稳定。区域下垫面[1]的高低起伏是影响上层风场的重要因素之一,复杂的地形使地面的粗糙程度大大增强,空气流经粗糙的表面比较容易产生紊流从而加剧整个区域风场的扰动,同时使一些不稳定的、影响航空安全的气象情况,如湍流、风切变等发生的概率有所提高。

风流经粗糙的近地层导致风场分布具有高度的非均匀性,由风杆、风速计等探测方法得到的观测数据具有一定的局限性,不能完全代表局部的风场变化情况。因此,选择用数值模拟的方法获得复杂地形和高层建筑物共存情况下的精细化风场分布,得到的数据也比较可靠。常用于空气动力学精细流场计算的计算流体力学 CFD[2~3](Computational Fluid Dynamics)模式在气象领域中的应用受到越来越多的关注,尤其是从上世纪80年代开始,CFD逐步渗透到风这一气象要素的研究领域当中。英国伦敦大学的Vasilic-Melling对二维及三维的立方体建筑物周围流场进行了数值模拟;1997年,加拿大学者Stathopolous[4]对风在建筑物表面的作用和建筑物周围的流场环境进行了研究;Mochida[5]在流体力学模拟应用于区域性气候问题的研究上取得了一定的成果;Paterson和Apelt进一步研究了湍流的k-ε模型,他们认为此模型是一种计算三维矩形体表面绕流的简单有效并且精度高的方法[6],这一方法在后人的研究中被广泛选用;2010年李磊等选取了k-ε模型验证FLUENT应用于复杂地形精细模拟的可行性[7]。

本文结合兰州中川机场周边的地形地势、盛行风特征以及兰州新区规划建筑群分布,利用FLUENT流体力学软件分析局部6km*6km*0.8km范围风场,分析了地形、建筑物周围的局部风场绕流情况以及两者对跑道两端风速、风向和区域压力场的影响,跑道两端是飞机离场和进场的关键区域,过程中易受到低空风切变的威胁。本文通过分析因此产生的乱流和扰动作用下的风场,对探求影响航空安全因素如低空风切变发生的可能性等后续研究有重要意义。

2 中川机场地形数字高程模型的建立

2.1 研究区域概况

兰州中川国际机场位于永登县秦王川冲积盆地东南端,马家山脚下,盆地南北长约42km,东西宽约10~14km,机场四周群山环抱,北部处于乌鞘岭起伏山地背风坡,西部为祁连山脉,机场海拔高度1947.2m,103°36'E,36°30'N,主跑道为18/36号跑道,跑道全长3600m,宽45m,方向与西部山脉走向一致且北高南低,机场东、北方向10~13km内地势较平坦开阔,西南和西北方向为丘陵地带,山势较高[8],东南方向由于近几年的经济发展被划为兰州新区经济区,其中建筑物的影响不可忽视。

2.2 地形数据获取和模型建立

针对中川机场周围起伏的山脉和盆地等地形地势情况,以机场的经纬度坐标为依据从网站下载对应的地形数据文件,导入Global Mapper软件中进行坐标转换,将资料中的经纬度坐标系转换为UTM(Universal Transverse Mercartor Grid System)平面直角坐标系[9],在软件中采用选取坐标的方法得到目标范围区域。将得到的DEM(Digital Elevation Model)文件在ArcGIS[10]软件窗口中打开,进行地形数据提取,将栅格坐标表示转换为点坐标表示并为每个点导入纵向高度z坐标,最后导出由无数个确定坐标点表示的目的区域地形数据文件。以此作为原始数据通过Matlab软件生成后缀为.jou[11]的指令文件,载入Gambit即可后台自动运行生成起伏地形面。

3 实验方案设计

3.1 模拟建筑物及网格划分

兰州新区位于中川机场的东南方向,中心区域相距大约为3km。由于是将复杂的地形因素和建筑物同时考虑在内,常用的数值模拟模式较难实现,因此选择简化建筑物外形的抽象几何模型方法来降低模拟过程的复杂度和错误率,并参考兰州新区土地规划总体方案图示[12]。因固体区域不进行流动计算,所以先将固体区域删除,得到一个有部分缺省的几何体。

对模型采用非均匀网格划分的方法,定义线上的网格点数和分布情况,对建筑物壁面进行局部加密。体网格间距采用30m,网格区域中边界处主要生成四面体网格,但在远离边界处可以包含六面体、锥形和楔形网格。划分完成总共包含了1904049个体积单元网格。

3.2 Fluent求解器及迭代计算

兰州中川机场的主导风向受西北部地势的影响,主要是从山脉吹来的西风。导致威胁航空安全的特征风发生的天气形势大致可归为以下三类:西北气流型、横槽型、西风槽型。针对这种情况,我们此次模拟的边界条件设置为风场区域的西侧面作为入口风速面,综合考虑给予风速7.8m/s作为入口的流动参数值。

空气作为气体流体具有粘性特性,在无外界能量补充的情况下,运动的流体将逐渐停止下来,气流的马赫数决定了它具有不可压缩流动性,因此不需要勾选能量方程[13],同时考虑6km的模拟区域尺度范围,科氏力(Coriolis force)也被忽略。根据风场的以上特点,求解过程选取基于雷诺平均法(Reynolds Average Navier-Stokes,RANS)的标 准k-ε方程紊流模型[14]。利用Fluent软件的多种求解方法和多重网格加速收敛技术达到最佳的收敛速度和求解精度。方便观察迭代过程,设置残差监视器,观察曲线收敛的情况,将迭代次数增加到50次。

3.3 Tecp lot后处理显示

在Tecplot软件的数据接口界面,输入FLUENT软件中保存数据的*.cas和*.dat文件,得到山脉、跑道和建筑物的分布情况如图1所示。图中显示山脉位于跑道的西边,而兰州新区的建筑物则处于跑道的东南方向,基于截取的地形数据范围和抽象建筑物得到的模型,新区中最近的建筑物距离机场跑道约1km,最远的建筑物距离机场跑道约3km。

图1 Tecplot软件显示地形及建筑物模型

4 实验结果分析

4.1 风场速度分布情况

入口风速面选取模型区域的西侧面,根据选取的坐标系可知水平风是沿着Y轴方向的,初始风速值设定为7.8m/s。通过FLUENT求解器计算后,得到整个模型区域下垫面和出入口面的水平风速场分布情况如图2所示。

如图2(a)所示,在山脉附近水平风速随山高度的增加而增大;在风矢量图2(b)中,近地层附近的风向扰动明显剧烈,山脉起伏处疏密不均的现象尤其明显。而在建筑物顶端附近,由于壁面阻挡,水平风速减到最小,风向沿着壁面向上在垂直方向上增大,且随着建筑物高度的增加风速逐渐增大,导致建筑物的迎风面有封闭的小旋涡出现;相邻建筑物之间,随着间隔减小,沿Y轴负向的水平风速值增大,在建筑物背风面形成对称的旋涡状风场,这与MIAO Yucong等[15]在模拟中提到的矩形块背风面风场分布也相吻合。

图2 模拟区域下垫面风场分布

取出仿真风场中跑道南端附近的水平剖面(X=-1140m),如图3(a)所示。中川机场跑道位于Y=2450m处,离跑道南端较近建筑物位于Y=3200m处,根据图像可以看出:在跑道南端附近,水平风速明显小于周围环境的水平风速。取出仿真风场中跑道北端附近的水平剖面(X=-4560m),如图3(b)所示。由于建筑物主要集中在跑道的东南方向,所以其对跑道北端水平风速的影响不大,而在跑道北端西面的山较高,在山脉附近的水平风速值较大,影响范围到达1km。考虑到本文中设定的背景风速值限定,在实际情况中,若西侧水平风速继续增大,则会使跑道北端上空中的水平风速大于下方,容易发生侧风切变。

飞机在起降过程中经历高度的变化,不同高度层间风速的连续性是关键因素。在所选取的跑道南北两端剖面上进一步考虑高度变化带来的影响。分别取距地高度200m,400m,600m风速线,从近山端到近建筑物端的风速趋势如图4所示,其中坐标零点代表所选风速线与跑道交点。近地面高度的风速线变化较更高处剧烈,变化值可以达到近0.6m/s,越往高处风速变化的更趋于平缓。地形和建筑物对风场的影响主要表现在下垫面附近,从一定程度上给飞机的低空飞行安全造成隐患。跑道南端山脉高度低于北端,因此高度线西侧波动不显著。受距离较近的建筑物影响,使东侧的速度变化较快,而跑道北端离建筑物较远,正处于西部较高山脉的背风坡下风地带,容易产生风速大和变化快的现象。

图3 跑道南(a)北(b)两端速度场剖面

图4 跑道南(a)北(b)两端各三个高度层风速变化

4.2 风场气压分布情况

本文实验环境中的参考压力设置为标准大气压101325Pa,没有考虑重力影响和热交换。压力值为正表示表面受到压力作用,压力值为负表示表面受到吸力作用,模型区域的压力分布情况如图5所示。

图5 模拟区域气压场分布

图6 跑道南(a)北(b)两端压力场剖面

近地面跑道处的压力值大于周边,山脉处的压力随山高度的增加而降低;而在建筑物附近,迎风表面受到风场的压力,而顶面和侧面则受到吸力。为分析地形和建筑物对中川机场跑道上空压力分布的影响,与风速场分布情况类似,先选取仿真风场中跑道南端附近的水平剖面(X=-1140m),如图6(a)所示。从图中可以看出跑道南端附近的建筑物影响了其上方空间中的压力场分布情况,在相同高度处,跑道上空的压力值要比两边的压力值大,且随着高度的增加,水平方向受影响的范围逐渐减小。接着选取仿真风场中跑道北端附近的水平剖面(X=-4560m),如图6(b)所示。在跑道北端处,建筑物对该处的压力场分布影响也不大,但位于西侧的山脉使得跑道左侧400m高度以下空间中的压力值要大于周边空间中的压力值。结合以上分析可以看出地形和建筑物对风速和气压产生了不同的影响,共同作用在跑道上,地形起伏在北端影响明显,建筑群形成的低风速区和高压力区覆盖了跑道南端的区域,可由此进一步分析其中包含的诱发风切变的潜在因素。

5 结语

本文以兰州中川机场为中心选定区域,模拟了复杂地形和建筑物共存情况下的风场情况,得到分辨率为30m的较精细化风场。分析了粗糙的地形环境与高层建筑物所引起的风速风向和压力的变化,山脉的影响体现在山顶附近风速较大,气压较低,而建筑物的影响主要体现在壁面附近,导致局部乱流扰动增加。着重分析了跑道两端的风场速度和压力变化情况,其中山脉的存在对跑道北端的风场影响较大,而建筑物对跑道南端风场影响大,且均存在诱发风切变等危险因素发生的可能。因此,本次模拟为探测和预警风切变研究做了基础和铺垫,进而对航空安全中气象要素风险评估工作具有参考价值。文中仅考虑了风场的动力作用,忽略了地面和建筑物热交换对风场的影响,有进一步研究的价值。

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