大学边界层风洞实验室（ZD-1）中進行风洞试验，模型缩尺比为1：500，保证阻塞率小于5%。采用尖塔漩涡发生器、挡板和粗糙元组合的被动模拟方法模拟B类标准风剖面作为初始来流，标准参考高度和标准参考高度处风速取为10 m和10 m/s。试验流场的风速剖面采用小尺寸管式五孔探针进行测量。试验模型布置如图7所示。经多次调试后获得与规范吻合良好的B类风剖面，如图8所示，从而保证与CFD初始流场一致。
对多个测点位置的平均风速剖面进行了对比，限于篇幅，以下仅给出测点布置区域内呈对角关系的测点3及测点7对比结果，如图9所示。
分析图9可知，CFD结果与风洞结果变化趋势吻合较好，在近地面处略大于风洞，最大速度差值约为2 m/s，考虑到CFD与风洞试验模型表面粗糙度具有一定差异以及试验误差等因素的影响，该速度差值处于可接受范围内，因此可认为本文中的CFD数值模拟结果具有较高的可靠度。
2峡谷地形风速特性与加速效应
2.1典型峡谷地形的风速剖面
为详细分析其平均风速空间分布特征，分别在经山脊线、峡谷内部山腰线以及峡谷轴线的顺风切面内，沿顺风向以75 m水平等间距提取出多点风速剖面，并与相同参数的单山脉地形进行对比，如图10所示。
分析图10可知，峡谷地形显著地改变了来流近地面的风速特性，使其空间分布呈现显著的不均匀性：1）沿山脊线、山腰线以及峡谷轴线的分布趋势相同，均在整个峡谷长度范围内（X=0～300 m）风速增大，并且在迎风谷口处（对应X=0 m处）加速效应最显著，在迎风坡山脚和山后尾流区风速减小形成减速区，且山后减速程度更为剧烈，远离山体后该现象又逐渐减弱；2）沿山脊线、山腰线以及峡谷轴线的风速变化幅度不同，山脊最强、山腰次之、峡谷轴线最弱；3）与单山脉相比，沿山脊线并无明显差异，沿山腰线及峡谷轴线受狭管效应影响而风速增幅变大，且在峡谷轴线附近最为显著。
2.2各地貌因素对加速效应的影响
为定量分析各地貌因素对平均风加速效应的影响程度，引入一个无量纲化的参数——加速比S，计算式如式（6）所示。
（6）式中：U（z）表示山体地面以上x高度处的风速；U0（z）表示平地地面以上z高度处的风速。
同时，由2.1节中分析结果可知，迎风谷口处的加速效应最为显著，下文中将测点1，4和7称为典型测点。
2.2.1峡谷长度
与以往研究不同，本文考虑了不同峡谷长度的影响，分别取L为0H，1H，2H，3H，4H，5H，6H，9H，共计8种情况。研究结果表明峡谷长度的变化对峡谷底部加速效应影响最显著，对山脉顶部基本无影响。
不同峡谷长度下的测点7近地面内加速比如图1l所示：1）加速效应随峡谷长度增加而减弱，但减弱幅度逐渐减小；2）当峡谷长度增长至3H后加速比变化趋于稳定。
峡谷内部沿轴线方向的加速比变化曲线如图12所示，各点加速效应均随着峡谷长度的增加而减弱：1）当峡谷长度较短时，加速比沿轴线逐渐减小；2）峡谷长度增长至3H后，加速比沿轴线先减小再增大；3）继续增长至5H后，峡谷内部分区域处于减速状态，且该减速区域范围随峡谷长度增大而增大。分析该现象的原因，主要是因为峡谷越长，内部与气流接触的面积越大，山体摩擦作用对风能的耗散就越显著，因此加速效应衰减越快，而在靠近出风谷口处的地形有利于气流的加速扩散，该影响程度要强于两侧山体的摩擦作用，使得加速效应在靠近出风谷口处又具有一定幅度增强。此外，上述分析还可对图11现象进行解释，当峡谷长度越短时，测点7（迎风谷口处）受到出风谷口处气流加速扩散的影响越大，从而导致加速效应越显著，而当峡谷具有一定长度后，测点7（迎风谷口处）与出风谷口处距离较远，受到的影响较微弱，使得加速比变化趋于稳定。
2.2.2山顶间距
为考虑山顶间距对加速效应的影响，分别取w为D，7D/6，4D/3，5D/3，2D，3D，共计6种情况。与峡谷长度相似，研究结果表明山顶间距的变化对峡谷底部加速效应影响最显著，对山脉顶部基本无影响。
不同山顶间距下的测点7近地面内加速比如图13所示：1）随着山顶间距的增大，加速效应显著减弱；2）当山顶间距达到3D后，可认为基本已无加速效应。
峡谷内部沿轴线方向的加速比变化曲线如图14所示：1）各点均处于加速状态，当山顶间距≤4D/3时，加速比沿轴线逐渐减小，而当山顶间距继续增大时，加速比沿轴线无明显变化；2）峡谷前25%的长度范围内，山顶间距越小加速效应越显著，后75%的长度范围内，山顶间距处于7D/6至5D/3时加速效最显著。与前述相同，这是由于峡谷中气流的流动受到狭管效应和山体摩擦耗能的综合影响。
2.2.3山脉坡度
为考虑山脉坡度对加速效应的影响，山高H固定取为100 m，底部直径D分别取为200，300，400，600，900 m，对应的山脉坡度2H/D分别为1.000，0.667，0.500，0.333，0.222，共计5种情况。研究结果表明山脉坡度的变化对峡谷内部及山脉顶部加速效应均有较大影响。
不同山脉坡度下的典型测点近地面内加速比如图15所示：山脉坡度变化对加速效应的影响规律较为复杂，各测点加速比曲线均在某固定高度有统一交點，山顶处（测点1）约为50 m高度，峡谷内部（测点4，测点7）约为75 m高度，在该高度以内各点加速效应随坡度的增大而增强，超出该高度后变化规律则相反。
峡谷内部沿轴线方向的加速比变化曲线如图16所示：与不同山顶间距下的情况类似，即整个峡谷内均处于加速状态，且峡谷前段和后段的加速比随坡度变化规律相反，山脉坡度越小，加速比沿轴线变化越平缓。
2.3与我国规范中地形修正系数的对比
针对与风向一致的谷口、山口处的加速效应，我国建筑结构荷载规范直接给出取值范围为1.20～1.50的风压地形修正系数，并未考虑各地貌因素的影响，对该系数的取值方法过于简单，关于谷口与山口的概念也较为模糊。因此，本节提取出典型峡谷（工况2）中各主要测点的风速剖面，在此基础上计算各测点的风压地形修正系数，如图17所示。
从图17中可看出：1）风压地形修正系数在空间的分布具有明显的三维效应，沿高度方向和由山脊到峡谷轴线的横风向逐渐减小，顺风向变化规律则较为复杂，沿山脊线和山腰线均先减小再增大，沿峡谷轴线逐渐减小，但均在迎风谷口位置达到最大，规范中仅给出统一的界限而并未考虑整个峡谷内部地形修正系数变化规律；2）规范给定的风压地形修正系数取值界限仅对部分高度有效，在近地面50 m内偏不安全，在200 m以上的高空则过于保守。
3结论
本文以具有一定长度的峡谷地形为研究对象，详细分析了峡谷长度、山顶间距及山脉坡度3种地貌因素对加速效应的影响，主要结论如下：
1）典型峡谷地形中近地面风速空间分布呈现显著的不均匀性，山脉顶部和峡谷内部均为加速区域，沿顺风向在迎风谷口位置处加速效应最为显著。
2）山脉顶部加速效应主要受山脉坡度的影响，在近地面50 m内随着坡度的增大而增大，超过该高度后变化规律则相反。
3）峡谷内部加速效应受多种地貌因素影响且变化规律较为复杂，必须考虑峡谷侧坡边界层的影响和流动的三维效应，当峡谷长度越短、山顶间距越小、山脉坡度越大时，迎风谷口处在近地面内的加速效应越明显。
4）风压地形修正系数在空间中的分布具有明显的三维特征，规范中仅给出统一的界限而并未考虑整个峡谷内部的变化规律，同时，该取值界限仅对部分高度有效，在近地面50 m内偏不安全，在200 m以上的高空则过于保守。
推荐访问： 风速 地形 峡谷 效应 特性
