【摘 要】
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下击暴流是一种极端恶劣的天气现象,它往往会伴随着雷暴,产生一股强下沉气流并冲击地面,而后向周围辐射。不同于大气边界层风,它会在近地面产生瞬时的极大风速,对整个风场范围内的建筑结构造成严重的破坏。目前,很多学者对下击暴流的风场有过深入的研究,但是当下击暴流发生在海面上时,对风浪耦合作用下风场和波浪场的特征却尚未明晰,本文将通过数值模拟和试验研究的方法探讨下击暴流环境下风浪场的特征。具体的研究内容如下
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下击暴流是一种极端恶劣的天气现象,它往往会伴随着雷暴,产生一股强下沉气流并冲击地面,而后向周围辐射。不同于大气边界层风,它会在近地面产生瞬时的极大风速,对整个风场范围内的建筑结构造成严重的破坏。目前,很多学者对下击暴流的风场有过深入的研究,但是当下击暴流发生在海面上时,对风浪耦合作用下风场和波浪场的特征却尚未明晰,本文将通过数值模拟和试验研究的方法探讨下击暴流环境下风浪场的特征。具体的研究内容如下:(1)风浪场的数值模拟研究。基于经典的冲击射流模型,建立了适用于模拟风浪二相流的数值模型,并通过对不同工况的模型进行模拟,讨论风场和波浪场的特征。根据数值模拟的结果发现,风浪耦合作用下的平均风剖面特征与经典冲击射流模型相似,即在近液面处风速达到最大值,而后随着高度升高,风速迅速减小。在波浪场中,由于下击暴流的作用,射流入口正下方的液面处形成一个凹面,同时由于近液面处风场的驱动,自由液面会产生波浪并向四周发展。(2)相似理论的建立。根据风浪二相流的动量方程和气液交界面处的耦合关系,建立了风生浪的相似准则,并通过该相似准则进一步推导模型中各参数变量的相似比例,实现缩尺模型与原型的相似。然后通过数值模拟的方式,验证了提出的相似准则,并讨论了不同缩尺比例模型的雷诺数无关性。根据理论推导发现,当模型的缩尺比为λl时,只要控制下击暴流入射速度的相似比例为λl,那么就能实现缩尺模型与原型相似。(3)风浪场的试验研究。对实验室的冲击射流装置进行改造,在原有的平台上安装水池,通过试验的方式进一步探究风浪场的特征,同时在水池中安装了造波系统,探究背景波浪对风浪场的影响。分析加入背景波浪后的数据,发现风场会影响高频段的波浪场,而背景波浪会影响低频段的波浪场。
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