風(fēng)洞試驗(yàn)與數(shù)值模擬.doc

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1、風(fēng)洞試驗(yàn)與數(shù)值模擬――北京大學(xué)在數(shù)值模擬方面的技術(shù)進(jìn)展一．科學(xué)研究的方法：人類(lèi)在認(rèn)識(shí)自然、認(rèn)識(shí)科學(xué)的過(guò)程中，曾經(jīng)創(chuàng)造出了兩種方法,即:理論研究和實(shí)驗(yàn)研究。理論研究得出的結(jié)論，要經(jīng)過(guò)嚴(yán)格的論證，這是十分必要的，但在工程實(shí)踐中卻難以應(yīng)用。實(shí)驗(yàn)研究，結(jié)論清晰、直觀，也就是俗話說(shuō)的“看得見(jiàn),摸的著”，但它的局限性太大,因而應(yīng)用范圍有限。上世紀(jì)四十年代，電子計(jì)算機(jī)的橫空出世,改變了人類(lèi)的生活和思想。隨著近年來(lái)計(jì)算機(jī)軟硬件技術(shù)的突飛猛進(jìn)，以前大量無(wú)法解決的工程實(shí)際問(wèn)題，已經(jīng)可以用新的計(jì)算方法來(lái)加以解決了。因此，第三種科學(xué)研究的方法發(fā)展出來(lái)了，那就是計(jì)算科學(xué)的方法（或稱(chēng)為數(shù)值模

2、擬、數(shù)值計(jì)算）.它不僅具有理論研究的嚴(yán)謹(jǐn)性,又具有實(shí)驗(yàn)研究的直觀性，更加具備極其廣泛的應(yīng)用范圍。如今,計(jì)算科學(xué)在科學(xué)研究中所占的比重越來(lái)越大，并必將成為今后科學(xué)技術(shù)發(fā)展的主流.二．什么是“風(fēng)洞試驗(yàn)”：風(fēng)洞，從外觀上看酷似一座洞,它是通過(guò)產(chǎn)生出可人工控制的氣流，對(duì)試驗(yàn)?zāi)Ｐ椭車(chē)臍怏w的流動(dòng)進(jìn)行模擬,并可量度氣流對(duì)物體的作用，以及觀察流動(dòng)現(xiàn)象的一種管道狀試驗(yàn)設(shè)備。而風(fēng)洞試驗(yàn)，是實(shí)驗(yàn)研究工程問(wèn)題的一種方法.它是依據(jù)運(yùn)動(dòng)的相對(duì)性原理,將試驗(yàn)原型同比縮小的模型固定在風(fēng)洞中,人為制造氣流流過(guò)，獲取各測(cè)試點(diǎn)的試驗(yàn)數(shù)據(jù)，并以此尋找出工程問(wèn)題的解決方案。風(fēng)洞試驗(yàn)主要針對(duì)相似模型進(jìn)行測(cè)

3、力試驗(yàn)、測(cè)壓試驗(yàn)和布局選型試驗(yàn)。一．風(fēng)洞試驗(yàn)在“擋風(fēng)抑塵墻”工程實(shí)踐中的局限性：“擋風(fēng)抑塵墻”的作用就是降低露天堆場(chǎng)上方的風(fēng)速，以達(dá)到抑塵效果.這是屬于流體力學(xué)范疇的一類(lèi)問(wèn)題.流體力學(xué)是物理學(xué)的一個(gè)分支，是主要研究流體（包括氣體和液體）與其中的物體相互作用的一門(mén)科學(xué)。研究流體力學(xué)的方法同樣有理論研究和實(shí)驗(yàn)研究。在理論研究中，以理論流體力學(xué)的基本控制方程組和基本定律為出發(fā)點(diǎn)，采用適當(dāng)?shù)那疤峒僭O(shè)（如空氣的不可壓縮性假定)，經(jīng)過(guò)嚴(yán)格的數(shù)學(xué)推導(dǎo)，求解出方程中的未知量（如壓力，速度等）。鑒于理論流體動(dòng)力學(xué)的基本控制方程組及其邊界條件的強(qiáng)烈的非線性特性,只能在幾種簡(jiǎn)單的情況下

4、得到方程組的解析解，在復(fù)雜的情況下(如三維流場(chǎng),復(fù)雜外形等)就無(wú)法獲得解析解，這就決定了理論研究方法在“擋風(fēng)抑塵墻”研究中具有很多的局限性，工程實(shí)踐中很難采用這種方法。同理論研究一樣，實(shí)驗(yàn)研究方法,即風(fēng)洞試驗(yàn)，也存在著很多的局限性。首先,由于風(fēng)洞的試驗(yàn)段不可能很大，導(dǎo)致?lián)躏L(fēng)抑塵墻模型的尺寸相對(duì)實(shí)際尺寸很小，根據(jù)流體力學(xué)的相似律理論可知,風(fēng)洞試驗(yàn)很難與實(shí)際情況具有相同的無(wú)量綱參數(shù)，這就意味著風(fēng)洞實(shí)驗(yàn)很難模擬真實(shí)的空氣流場(chǎng)。比如：在試驗(yàn)中,堆料場(chǎng)與擋風(fēng)抑塵墻的模型都要同比縮小，一個(gè)200米長(zhǎng)的堆料場(chǎng)在模型中要縮小為2米，縮小100倍；而擋風(fēng)抑塵墻厚度只有2－3毫米,同

5、樣縮小100倍后，只有0。02－0。03毫米,如此小的尺度,在試驗(yàn)中是無(wú)法實(shí)現(xiàn)的，如用原尺度代替，則試驗(yàn)誤差之大可想而知。又如：對(duì)于孔隙率的研究也有局限性，幾十毫米的開(kāi)孔，縮小100倍后，直徑只有零點(diǎn)幾毫米,在風(fēng)洞試驗(yàn)中已經(jīng)相當(dāng)于沒(méi)有開(kāi)孔了。其次，風(fēng)洞試驗(yàn)很難獲得一些極為重要的局部流場(chǎng)的信息，而且為獲得這些流場(chǎng)信息而安裝的諸如壓力傳感器等設(shè)備將干擾真實(shí)的流場(chǎng)，導(dǎo)致測(cè)量的誤差.第三，風(fēng)洞試驗(yàn)周期長(zhǎng)，價(jià)格高.一．?dāng)?shù)值模擬和北京大學(xué)的優(yōu)勢(shì):計(jì)算流體力學(xué)和數(shù)值模擬技術(shù)是上世紀(jì)五十年代出現(xiàn)的一個(gè)以理論流體力學(xué)和計(jì)算數(shù)學(xué)為基礎(chǔ),以大型計(jì)算機(jī)為工具，來(lái)模擬仿真物理過(guò)程的研究方法

6、。隨著理論和技術(shù)的進(jìn)步，計(jì)算研究方法已經(jīng)和理論方法、試驗(yàn)方法并列，成為第三種基本的科學(xué)研究方法.近十年來(lái)計(jì)算機(jī)技術(shù)飛速發(fā)展，數(shù)值模擬技術(shù)也逐步開(kāi)始實(shí)用化，在工業(yè)和工程設(shè)計(jì)中起到舉足輕重的作用。數(shù)值模擬技術(shù)發(fā)展的最重要的一個(gè)分支就是計(jì)算流體力學(xué)，它已經(jīng)成為科學(xué)研究和工程實(shí)踐中的一個(gè)不可或缺的工具。計(jì)算可以在很大程度上避免理論和實(shí)驗(yàn)的困難與缺陷.與理論研究相比,計(jì)算可以更多的面向非線性和有復(fù)雜幾何外形的問(wèn)題，由于采用離散的數(shù)值方法和計(jì)算模擬實(shí)驗(yàn)方法,可以不受數(shù)學(xué)解析能力的限制,具有更大的適應(yīng)性和求解能力；與實(shí)驗(yàn)研究相比,數(shù)值模擬更加經(jīng)濟(jì)、迅速，具有更大的自由度和靈活性

7、，可以突破實(shí)驗(yàn)上物質(zhì)條件的限制,獲得更多、更細(xì)致的結(jié)果。北京大學(xué)自1959年開(kāi)始研究數(shù)值模擬技術(shù),在這個(gè)領(lǐng)域居于國(guó)內(nèi)領(lǐng)先水平，將其應(yīng)用于擋風(fēng)抑塵墻技術(shù)的研究，擁有極大優(yōu)勢(shì)，這種優(yōu)勢(shì)主要體現(xiàn)在以下三個(gè)方面：1.不受地形地貌、原型尺度的影響,空間范圍幾乎不受限制.2.可以任意設(shè)定風(fēng)向、風(fēng)速、高度,較真實(shí)的模擬流場(chǎng)，包括所有矢量場(chǎng)(如速度場(chǎng))和所有標(biāo)量場(chǎng)（如溫度場(chǎng)、密度場(chǎng)和壓力場(chǎng)等），且自動(dòng)滿足所有相似性參數(shù)和相似律。3．計(jì)算結(jié)果可以直接提供諸如：孔隙率、擋風(fēng)抑塵墻高度、擴(kuò)散面積、濃度等等所有工程人員、環(huán)保專(zhuān)家所關(guān)心的問(wèn)題,結(jié)論直截了當(dāng)、清晰明確。在電力行業(yè),北京大學(xué)所

8、掌握的數(shù)值