§2.5 三维数据结构
二、三维边界表示法
1、方法原理
首先考虑一个简单的四面体应如何表示。它是一个平面多面体，即它的每个表面均可以看成是一个平面多边形。为了做到无歧义地、有效地表示，需指出它的顶点位置以及由哪些点构成边，哪些边围成一个面等一些几何与拓扑的信息。
比较常用的表示一个平面多面体的方法是采用三张表来提供这些信息(如图2—5-4)，这三张表就是：
1）顶点表：用来表示多面体各顶点的坐标；
2）边表：指出构成多面体某边的两个顶点；
3）面表：给出围成多面体某个面的各条边。
对于后两个表一般使用指针的方法指出有关的边、点存放的位置。
为了更快地获得所需信息，更充分地表达点、线、面之间的拓扑关系，可以把其它一些有关的内容结合到所使用的表中。图2—5-4中的扩充后的边表就是将边所属的多边形信息结合进边表中以后的形式。这样利用这种扩充后的表，可知某条边是否为两个多边形的公共边，如果是，相应的两个多边形也立即知道。这是一种用空间换取时间的方法。是否要这样做，应视具体的应用而定，同样也可根据需要适当地扩充其它两张表来提高处理的效率。
除了描述它的几何结构，还要指出该多面体的一些其它特性。例如每个面的颜色、纹理等等。这些属性可以用另一个表独立存放。当有若干个多面体时，还必须有一个对象表。每个多面体在这个表中列出围成它的诸面，同样也可用指针的方式实现，这时面表中的内容，已不再是只和一个多面体有关。
2、特点
采用这种分列的表来表示多面体，可以避免重复地表示某些点、边、面，因此一般来说存贮量比较节省，对图形显示更有好处。例如，由于使用了边表，可以立即显示出该多面体的线条画，也不会使同一条边重复地画上两次。可以想象，如果表中仅有多边形表而省却了边表，两个多边形的公共边不仅在表示上要重复，而且很可能会画上两次。类似地，如果省略了顶点表，那么作为一些边的公共顶点的坐标值就可能反复地写出好多次。
3、拓扑检查
对于比较复杂的多面体要输入大量的数据。检查输入的数据是否一致、是否完全，是一项必不可少的工作，这就是通常所说的拓扑检查。
一般来说，在数据表中包含的信息越多，输入时有错的可能性也越大，但是可用来检查是否有错的手段也会随之增加。对上面提及的数据结构，至少可以检查以下诸项：
1)顶点表中的每个顶点至少是两条边的端点；
2)每条边至少是一个多边形的边；
3)每个多边形是封闭的；
4)每个多边形至少有一条边是和另一个多边形共用的；
5)若边表中包含了指向它所属多边形的指针，那么指向该边的指针必在相应的多边形中出现。
这些检查对于维护表示多面体的数据库的全体一致性是有效的，而复杂的情况应当有专门的程序来检查。
4、应用
以上讨论的只是简单的平面多面体的三维边界表示，但是GIS研究的对象是自然实体，其三维形状的复杂程度难以描述。例如岩石的外表不规则，组成的平面可有成千上万，如何用三维边界表示法表示呢?
从理论上讲，对任意的三维形体只要它满足一定的条件，总可找到一个适合的平面多面体来近似地表示这个三维形体，且使误差保持在一定的范围之内。但是在实际上，这种逼近受到多方面因素的制约，解决这个问题的方法也不一而足。通常，这个问题可以叙述成：要表示某个三维形体，又仅知道从这个形体的外表面S0上测得的一组点P1……Pn的坐标。为了解决这个问题，首先要为这些点建立起某种关系。这种关系被称为这些点代表的形体结构。可以由一个图来表示，图的顶点就是这里给定的那组点P1……Pn，而图的边的给定方式则恰好
反映了所设想的结构。不同的图，有不同的边(也就是连接这些顶点的方法不同)，相应地，这个图对应的平面多面体也不同，这可由图2—5-5来示意。
在众多的结构中，每个面均是三角形的平面多面体起着很重要的作用(这跟不规则三角网TIN很类似)。即使对结构加上了这种限制，同一组点仍可得到不同的平面多面体。因此，人们自然会想到，在这类多面体中，究竟在拥有了哪些特征之后，才能更确切地逼近原来的三维形体?有人认为表面积最小的多面体可能是适合的；也有人认为使用的准则应当和曲面S0的曲率有关。至今，这是一个有待解决的问题。
完
第五章大气污染扩散 第一节大气结构与气象 有效地防止大气污染的途径，除了采用除尘及废气净化装置等各种工程技术手段外，还需充分利用大气的湍流混合作用对污染物的扩散稀释能力，即大气的自净能力。污染物从污染源排放到大气中的扩散过程及其危害程度，主要决定于气象因素，此外还与污染物的特征和排放特性，以及排放区的地形地貌状况有关。下面简要介绍大气结构以及气象条件的一些基本概念。 一、大气的结构 气象学中的大气是指地球引力作用下包围地球的空气层，其最外层的界限难以确定。通常把自地面至1200 km左右范围内的空气层称做大气圈或大气层，而空气总质量的98．2％集中在距离地球表面30 km以下。超过1200 km的范围，由于空气极其稀薄，一般视为宇宙空间。 自然状态的大气由多种气体的混合物、水蒸气和悬浮微粒组成。其中，纯净干空气中的氧气、氮气和氩气三种主要成分的总和占空气体积的99.97％，它们之间的比例从地面直到90km高空基本不变，为大气的恒定的组分；二氧化碳由于燃料燃烧和动物的呼吸，陆地的含量比海上多，臭氧主要集中在55～60km高空，水蒸气含量在4％以下，在极地或沙漠区的体积分数接近于零，这些为大气的可变的组分；而来源于人类社会生产和火山爆发、森林火灾、海啸、地震等暂时性的灾害排放的煤烟、粉尘、氯化氢、硫化氢、硫氧化物、氮氧化物、碳氧化物为大气的不定的组分。 大气的结构是指垂直（即竖直）方向上大气的密 度、温度及其组成的分布状况。根据大气温度在垂直 方向上的分布规律，可将大气划分为四层：对流层、 平流层、中间层和暖层，如图5－1所示。 1. 对流层 对流层是大气圈最靠近地面的一层，集中了大气 质量的75％和几乎全部的水蒸气、微尘杂质。受太阳 辐射与大气环流的影响，对流层中空气的湍流运动和 垂直方向混合比较强烈，主要的天气现象云雨风雪等 都发生在这一层，有可能形成污染物易于扩散的气象 条件，也可能生成对环境产生有危害的逆温气象条件。 因此，该层对大气污染物的扩散、输送和转化影响最大。 大气对流层的厚度不恒定，随地球纬度增高而降低，且与季节的变化有关，赤道附近约为15km,中纬度地区约为10～12 km，两极地区约为8km；同一地区，夏季比冬季厚。一般情况下，对流层中的气温沿垂直高度自下而上递减，约每升高100m平均降低0．65℃。 从地面向上至1～1.5 km高度范围内的对流层称为大气边界层，该层空气流动受地表影响
大气边界层风洞流场特性的模拟 石碧青洪海波谢壮宁倪振华 （汕头大学土木系，广东汕头，515063） 摘要风场模拟的准确程度是保证风洞试验结果准确程度的重要因素。文中采用了一种曲边梯形的尖塔，结合粗糙元等被动装置进行风洞大气边界层的模拟，模拟出试验对象所在区域的大气边界层特性，包括A、B、C和D 类四种地貌下的平均风速剖面、湍流度剖面和顺风向脉动风谱，为进一步的流场特性研究和风洞试验奠定了基础。通过对曲边梯形尖塔和三角形尖塔模拟的风洞大气边界层的湍流度剖面的比较，可以发现本文所采用的曲边梯形尖塔更有利于提高风洞大气边界层中部以上高度的湍流度，使得整个湍流度剖面更为合理。 关键词风洞、大气边界层、流场模拟 1. 引言 大气边界层的风洞模拟是研究风对建筑结构的作用以及建筑物周围的风环境等风工程问题的基础工作。在进行建筑结构的风洞试验时，除了必须满足建筑结构的几何特性相似外，还要准确地模拟出建筑结构所在区域的大气边界层特性。大气边界层的特性主要包括平均风速剖面、湍流度剖面、风功率谱以及湍流积分尺度等。尤其对于研究建筑结构风致响应以及气动弹性效应的风洞试验，准确模拟湍流结构有着更重要的意义。 自Counihan（1969）和Standen（1972）提出两种模拟大气边界层的装置以来，大气边界层的风洞模拟技术和方法有了较大的发展。Irwin（1981）对Standen尖塔进行了改进，并进一步给出了尖塔、粗糙元组合模拟梯度风高度的经验公式1)。相比主动控制技术模拟大气边界层，被动模拟方法所需的装置简单、造价低，并且比较容易模拟出各种地貌的平均风剖面。因此，风洞中更多地采用被动模拟方法进行大气边界层的模拟。在国内外同行模拟的大气边界层特性中，平均风剖面的结果是令人满意的，而湍流度分布、湍流积分尺度等湍流结构则有较明显的差别2)3)。被动模拟方法中常用的尖塔形状是三角形，但是三角形尖塔所模拟的湍流度随高度衰减太快，导致风洞大气边界层的中上部分湍流度过低。本文采用了一种曲边梯形的尖塔，结合粗糙元等被动装置进行风洞大气边界层的模拟，给出了A、B、C和D类四种地貌的平均风速剖面、湍流度分布和顺风向脉动风谱和湍流积分尺度。从模拟的结果可以看出曲边梯形尖塔相对于三角形尖塔的更有利于提高边界层中部以上高度湍流度，使得湍流度剖面更为合理。 2. 模拟装置 汕头大学风洞的主试验段尺寸为长20m、宽3m和高2m，风速从0.5m/s～45m/s连续可调。大气边界层的模拟主要使用尖塔旋涡发生器和一定数量的粗糙元来进行。不同地貌所使用的尖塔尺寸不尽相同，根据多年的实践摸索，得到了用于不同地貌的尖塔，见图1，尺寸单位为cm。尖塔迎风面的基本外形为曲边梯形，高为200cm。曲边可以采用多项式表示为 3 + =2 + w+ cz d bz az 不同地貌所使用的曲边梯形尖塔有所不同，其曲边表达式的多项式系数见表1，w为曲边到中线
三维圆管流动状况的数值模拟分析 在工程和生活中，圆管内的流动是最常见也是最简单的一种流动，圆管流动有层流和紊流两种流动状况。层流，即液体质点作有序的线状运动，彼此互不混掺的流动；紊流，即液体质点流动的轨迹极为紊乱，质点相互掺混、碰撞的流动。雷诺数是判别流体流动状态的准则数。本研究用CFD 软件来模拟研究三维圆管的层流和紊流流动状况，主要对流速分布和压强分布作出分析。 1 物理模型 三维圆管长2000mm l =，直径100mm d =。 流体介质：水，其运动粘度系数6 2 110m /s ν-=?。 Inlet ：流速入口，10.005m /s υ=，20.1m /s υ= Outlet ：压强出口 Wall ：光滑壁面，无滑移 2 在ICEM CFD 中建立模型 2.1 首先建立三维圆管的几何模型Geometry 2.2 做Blocking 因为截面为圆形，故需做“O ”型网格。
2.3 划分网格mesh 注意检查网格质量。 在未加密的情况下，网格质量不是很好，如下图 因管流存在边界层，故需对边界进行加密，网格质量有所提升，如下图
2.4 生成非结构化网格，输出fluent.msh 等相关文件 3 数值模拟原理 3.1 层流流动
当水流以流速10.005m /s υ=，从Inlet 方向流入圆管，可计算出雷诺数500υd Re ν ==，故圆管内流动为层流。 假设水的粘性为常数（运动粘度系数62 110m /s ν-=?）、不可压流体，圆管光滑，则流动的控制方程如下： ①质量守恒方程： ()()()0u v w t x y z ρρρρ????+++=???? (1-1) ②动量守恒方程： ()()()()()()()u uu uv uw u u u p t x y z x x y y z z x ρρρρμμμ???????????+++=++-??????????? (1-2) ()()()()()()()v vu vv vw v v v p t x y z x x y y z z y ρρρρμμμ???????????+++=++-??????????? (1-3) ()()()()()()()w wu wv ww w w w p t x y z x x y y z z z ρρρρμμμ???????????+++=++-??????????? (1-4) 式中，ρ为密度，u 、ν、w 是流速矢量在x 、y 和z 方向的分量，p 为流体微元体上的压强。 方程求解：对于细长管流，FLUENT 建议选用双精度求解器，流场计算采用SIMPLE 算法，属于压强 修正法的一种。 3.2 紊流流动 当以水流以流速20.1m /s υ=，从Inlet 方向流入圆管，可计算出雷诺数10000υd Re ν ==，故圆管内流动为紊流。 假设水的粘性为常数（运动粘度系数6 2 110m /s ν-=?）、不可压流体，圆管光滑，则流动的控制方程如下： ①质量守恒方程： ()()()0u v w t x y z ρρρρ????+++=???? (1-5) ②动量守恒方程： 2 ()()()()()()()()()()[]u uu uv uw u u u t x y z x x y y z z u u v u w p x y z x ρρρρμμμρρρ??????????+++=++??????????'''''????+- ---???? (1-6) 2 ()()()()()()()()()()[]v vu vv vw v v v t x y z x x y y z z u v v v w p x y z y ρρρρμμμρρρ??????????+++=++??????????'''''????+- ---???? (1-7)
‘自动化仪表“第36卷第8期一2015年8月 国家自然科学基金青年科学基金资助项目(编号:61304024);河北省自然科学基金青年科学基金资助项目(编号:F2013508110);中央高校基本科研业务费资助项目(编号:3142013055);河北省教育厅科技计划基金资助项目(编号:Z2012089)三修改稿收到日期:2014-12-26三 第一作者张晓宇(1978-),男,2006年毕业于浙江大学控制科学与工程专业,获博士学位,副教授;主要从事非线性控制二智能控制二复杂系统控制与应用的研究三 一种离散模糊滑模边界层自适应的消抖方法 Method of Eliminating Chattering Based on Boundary Layer Adaption for Discrete Sliding Mode Control 张晓宇一陈文卓一申一斌 (华北科技学院电信学院,河北三河一065201) 摘一要:在离散滑模控制中抖振非常常见三针对一类离散非线性系统的滑模控制抖振问题,在连续系统边界层自适应方法的基础上,提出一种带边界层自适应的近似滑模模糊逻辑控制方法三首先通过一定的自适应律对滑模边界层参数进行在线调整,然后将边界层自适应的SMC 应用到模糊逻辑控制逼近实现中,使抖振得以削弱,且系统非线性动态不需要已知其上边界,使得整个闭环系统具有较强的鲁棒性二稳定性和自适应性等优点三仿真验证了该方法的正确性和优越性三关键词:离散一非线性系统一滑模控制一模糊一自适应一边界层 中图分类号:TH71;TP273+.2一一一一文献标志码:A一一一一DOI:10.16086/https://www.doczj.com/doc/126014923.html,ki.issn1000-0380.201508001 Abstract :In discrete sliding mode control ,chattering phenomenon is very common.For solving chattering problem of sliding mode control for discrete nonlinear system ,on the basis of boundary layer adaptive method of continuous systems ,the sliding mode like fuzzy logic control method is proposed.Firstly ,online adjustment of boundary layer parameters is conducted through certain adaptive laws ;then the SMC with boundary layer adaptation is applied in fuzzy logic control approximation implementation.Thus the chattering can be weakened ,while ,the entire closed loop system offers stronger robust stability and adaptation.The correctness and superiority of this method are verified by simulation.Keywords :Discrete一Nonlinear system一Sliding mode control (SMC )一Fuzzy一Adaptive一Boundary layer 0一引言 滑模控制(sliding mode control,SMC)有抖振的缺点[1-2],但模糊逻辑系统的应用可改进其性能三关于模糊滑模控制(fuzzy sliding mode control,FSMC)[3-14]和滑模模糊逻辑控制(sliding mode fuzzy control, SMFC) [10,15-20] 已有大量研究三 Lee C G 和Park J S 等人提出近似滑模模糊逻辑控 制(sliding mode-like fuzzy control,SMLFC)[20],方法是将模糊控制器等价于滑模控制器设计且边界层厚度可在线自调整,通过引入适当的自适应律来消除抖振三该方法只适用于二阶系统,如果死区参数不收敛到零,仍会有微弱抖振三对于高阶动态非线性系统,控制器的设计应采用不同的方式,其中对高阶动态非线性系统的SMLFC 已被提出 [21] ,但其仅适用于连续系统三 一一针对离散非线性系统,提出与上述类似的方法,同样运用在线自适应调节饱和函数和SMC 死区参数的思想,推出近似滑模模糊控制设计[20]三应用动态模糊逻辑系统(dynamic fuzzy logic system,DFLS)获得平滑的控制性能, 再通过DFLS 形成近似滑模模糊控制(sliding mode-like fwey logic control,SMLFC)系统,彻底消除抖振三 1一离散滑模控制及存在问题 滑模控制在有限时间内将系统从初始状态驱动到切换函数所决定的一个超平面上并维持三系统状态到达超平面的过程称为到达过程;系统状态在滑模面上的运动称为滑模运动;超平面称为滑模面三在离散时间情况下,描述滑动模态的性质二存在及到达条件都会改变三随着计算机技术的高速发展和工业自动化等领域的实际需要,控制算法的实现经常需要采用数字计算机三因此,研究离散时间系统的滑模变结构控制方法具有很好的理论价值和实际意义三 滑模变结构控制包含三个基本问题:滑动模态的存在性二可达性及稳定性三这也是离散时间系统滑模变结构控制的基本问题,但离散时间系统自身的固有特点使得其与连续时间系统有所不同[2]三 定义一个包围滑模面的切换带s (k )?Δ三如系 1 一种离散模糊滑模边界层自适应的消抖方法一张晓宇,等
（结构动力试验论文） 大气边界层模拟风洞研究综述 Performance of Simulation of Atmospheric Boundary Layer in Wind Tunnels 学生姓名： 指导教师： 学院： 专业班级：
大气边界层模拟风洞研究综述 姓名 （大学学院） 摘要：本文介绍了大气边界层风洞的发展过程和模拟方法。大气边界层的模拟方法主要有主动模拟方法和被动模拟方法，前者包括多风扇风洞技术与振动尖塔技术，后者采用尖劈、粗糙元、挡板、格栅等装置进行模拟。被动模拟技术较为经济、简便，所以得到了广泛采用。关键词：风洞；大气边界层；主动模拟；被动模拟. Performance of Simulation of Atmospheric Boundary Layer in Wind Tunnels NAME (University) Abstract：In this paper , the simulation of atmospheric boundary layer are introducted from the history of the development and the methods of the technology. The methods of atmospheric boundary layer simulation contain active simulation and passive simulation. The active simulation mainly include multiple fans wind tunnel technology and vibratile spire technology. The equipments of the passive simulation main include spire, roughness element, apron and gridiron. The passive simulation technology is simple and economical, so it has been widely used. Key words：wind tunnel; atmospheric boundary lay er; active simulation; passive simulation. 一、引言 1940年，美国塔科马悬索桥由于风致振动而破坏的风毁事故,首次使科学家和工程师们认识到了风的动力作用的巨大威力[1]。在此之前，1879年发生了苏格兰泰桥的风毁事故已经使工程师们认识到风的静力作用。塔科马桥的风毁开始了土木工程界考虑桥梁风致振动的新时期，并以此为起点, 发展成为了现代结构风工程学。 结构风工程研究方法可分为现场测试、风洞试验和理论计算三种。 现场测试方法是一种有效的验证理论计算和风洞试验方法和结构的手段；然而，现场测试需要花费巨大，试验环境条件很难人为控制和改变。与现场测试方法相比，风洞试验兼具直观性和节约的优点，同时可以上人为地控制、调节和重复一些试验条件，是一种很好的研究结构风工程现象的变参数影响和机理的手段。近些年来随着流体力学和计算机技术的发展，计算流体动力学逐渐成为风工程研究中越来越重要的工具。然而，由于风工程问题的复杂性，要深入了解由于空气流动所引起的许多复杂作用，风洞试验仍然是起着非常重要的作用。 在整个50 年代和60 年代初，建筑物和桥梁风洞试验都是在为研究飞行器空气动力学性能而建的“航空风洞”的均匀流场中进行，而试验结果往往被发现与实地观测结果不一致，原因显然在于风洞中的均匀气流与实际自然风的紊流之间所存在明显差别。1950 年代末，丹麦的杰森对风洞模拟相似率问题作了重要的阐述，认为必须模拟大气边界层气流的特性。
第一章大气边界层基本的概念 1、大气边界层定义，特征 2、大气边界层的垂直分层结构，通常可分为粘性副层、近地面层、混合层 3、边界层发展的日变化，陆上高压区大气边界层通常由三部分组成，对流混合层，残余层，稳定边界层 4、大气边界层按稳定度分类：稳定边界层，不稳定边界层及中性边界层 5、风与气流的流动形式：平均风速、波动、湍流 6、自然界中的流体运动存在着两种完全不同的运动状态：层流、湍流 7、莫宁-奥布霍夫（Monin－Obukhov）相似理论以及π理论是边界层湍流研究的理论基础， 8、大气湍流的能量来源于机械运动作功和浮力作功两方面。 9、名词解释：泰勒假说 第二章湍流基础 1、湍流的基本特征：随机性、非线性、扩散性、涡旋性、耗散性 按照能量学的观点，大气湍流的存在和维持有三大类型：风切变产生的湍流、对流湍流、波产生湍流 2、湍流的定量描述(重点掌握)：平均量和平均法则、雷诺分解、统计量、湍流尺度 大气湍流中，雷诺平均通常有三种平均方式，分别是时间平均，空间平均，系统平均。 第三章大气边界层控制方程（要知道出发方程都是什么，推导方法，拿出来一个方程能够识别出是什么方程，各项对应的物理意义是什么，这章会有个推导题，题目见课件） 1、基本控制方程（状态方程、一个质量守恒方程（连续方程）、三个动量守恒方程（Navier-Stokes方程）、一个热力学能量方程）水汽及污染物的守恒方程形式与热量守恒形式一致 通过Boussinesq 近似得到简化方程，克罗内克符号，交变张量， 2、平均量方程出发方程：Boussinesq 近似方程组 采用雷诺平均的方法，将任意一个物理量表示成平均量和脉动量之和，代入方程组，然后再取平均————大气边界层平均量控制方程，重要：在动量、热量和水汽平均方程组均出现了湍流通量散度项，表现出湍流通量对平均场动量、热量和水汽含量增减的贡献。 P.S 定常、水平均匀，忽略下沉，取平均风速为x轴方向几种假设的含义 3、湍流脉动量方程将出发方程展开为平均量和脉动量相加的形式,与平均量方程相减，即可得到湍流脉动量控制方程。 理论上，用这些脉动量的预报方程可以求解湍流的运动，但是脉动量运动的时间尺度在30分钟以下，并且空间尺度相对精细，这种尺度的求解在实际的气象应用中持续时间太短，难以直接应用～～～～湍流脉动量方程作为寻求湍流方差预报方程、湍能方程以及协方差（通量）预报方程的中间步骤 4、湍流方差预报方程从湍流脉动量方程出发,乘以2u’,2q’,2θ’,2C’，再利用乘
边界层气象学复习材料 第一章绪论 1.大气边界层的定义； 第二章大气湍流 1.流体运动的两种形式：层流和湍流 2.湍流发生的两种机制：1.热力作用；2.动力作用。 3.泰勒假设；泰勒假设的基本思想：将空间序列问题转换为时间序 列问题。泰勒假设成立的基本条件：冰冻湍流理论，即在湍涡发展时间尺度大于其平移过传感器时间的特定情况下,当湍流平移过传感器时,可以把它看做是凝固的。 4.雷诺平均的核心思想； 5.定常湍流、均匀湍流和各向同性湍流的物理含义； 6.傅里叶变换的核心思想； 7.湍流能谱谱区分布及特征； 8.由大气运动方程组推导雷诺平均方程组；包辛涅斯克近似的含义； 9.通量的物理意义：通量是指单位时间单位面积的流体的某属性量 的输送。湍流通量与属性量廓线的关系。 10.湍流动能方程各项的物理意义； 11.K理论； 12.通量里查逊数，梯度理查逊数，整体理查逊数； 第三章大气边界层 1.稳定、不稳定、中性边界层通常多出现在什么天气条件；
2.位温廓线的日变化规律；给定一条典型的位温廓线，要求知道对 应什么时间段。 3.中性层结下风速廓线关系的推导； 4.中性边界层的三力平衡； 5.对流边界层形成的主要能量来源； 6.对流热泡贯穿机制和卷夹层的形成过程； 7.低空急流的形成原因：夜间湍流强度迅速减弱，湍流摩擦力迅速 减小到很低的量级（摩擦力撤除效应），最终导致科氏力引发惯性振荡。 第四章大气扩散 1.影响大气扩散的主要两个气象因子：风、大气稳定度。 2.有界扩散需要考虑地面对污染物的反射作用，相当于同时考虑“实 源”和“虚源”的贡献。 3.影响大气扩散的两种运动：1.平流（输送）；2.湍流（扩散）。 4.五种常见的烟流扩散与大气稳定度之间的关系； 第五章通量观测
边界层理论及边界层分离现象 一．边界层理论 1. 问题的提出 在流体力学中，雷诺数RP惯性力/粘性力，当Re<1时，惯性力<<粘性力，可以略去惯性力项，用N-S方程解决一些实际问题（如沉降、润滑、渗流等），并可以获得比较满意的结果。但对于工程流动问题，绝大多数的Re很大。这时就不可以完全略去粘性力，略去粘性力的结果与实际情况相差很大。突出的一例即“达朗倍尔佯谬——在流体中作等速运动的物体不受阻力。” 究竟应当怎样才能正确地处理大Re数的流动呢？这个矛盾一直到1904 年，德国流体力学家普朗特提出了著名的边界层理论，即大Re数的流动中，大 部分区域的惯性力>>粘性力，但在紧靠固壁的极薄流层中，惯性力琲占性力，这才令人满意地解决了大Re数的流动的阻力问题。 2. 边界层的划分 I流动边界层（速度边界层） 以平板流动为例，x方向一维稳态流动，在垂直壁面的y方向上，流动可划分为性质不同的两个区域：（1）y&层外主流层）：壁面影响很弱，法向速度基本不变，du/dy?0所以可忽略粘性力（即忽略法向动量传递）。可按理想流体处理，Euler方程适用。这两个区域在边界层的 外缘衔接起来，由于层内的流动趋近于外流是渐进的，不是突变的，因此，通常约定：在流动边界层的外缘处（即y= 3处），ux= 0.99u T 3为流动边界层厚度，且 3= &x）。 II传热边界层（温度边界层） 当流体流经与其温度不相等的固体壁面时，在壁面上形成流动边界层，同时，还会由于传热而形成温度分布，可分成两个区域：（1）y< 8t （传热边界层）：受壁面影响，法向温度梯度dt/dy 很大，不可忽略，即不能忽略法向热传导。（2）
Ξ第20卷第3期2002年9月 西安航空技术高等专科学校学报 Journal of Xi’an Aerotechnical College Vol120No13 Sup.2002风洞中模拟大气边界层的相似参数分析 金 文 (西安航专动力系,西安710077) 摘 要:对二维稳定不可压缩紊流方程采用无量纲化分析方法,确定了环境风洞中模拟大气边界层应满足的相似参数。 关键词:大气边界层;风洞;模拟;相似参数 中图分类号:X169 文献标识码:A 文章编号:1008-9233(2002)03-0050-02 环境风洞是能产生低速气流并能在其中进行实验的装 置。长期的实践证明,环境风洞是研究建筑风环境的有力工 具。早在三十年代,英国学者拜格诺就曾利用低速风洞研究 了风沙流的规律和土壤风蚀,中国科学院林业土壤研究所防 护林组在1964年也曾设计建造开路闭口吸气式低速风洞实 验室,开展了模型实验研究,并取得一定成果。 在风洞模拟实验研究中,相似性问题十分重要。一般情 况下,几何相似相对容易满足,在此条件下,只要满足了动力 相似,则运动相似也就满足了。因此,几何相似是力学相似 的前提,运动相似是模型实验的目的,动力相似是运动相似 的保证。而为了保证流动的动力相似,必须找出相应的相似 准则数。作用于空气质点上的力主要有惯性力、重力、粘性 力、压力和科氏力等,实际上要保证两种流动满足完全相似 的实验是不可能的,一般仅为部分相似。即在上述相似准则 数中,一般只考虑最重要的一个相似准则数,这就是局部相 似。本文就是分析找出在环境风洞中模拟大气边界层的主 要相似准则数。 首先将流体运动的纳维-斯托克斯方程限定为二维稳 定流动(5u i 5t=0),并简化问题忽略柯氏加速度和温度层结 的影响。然后根据雷诺约定对其进行时间平均,并选择x方向为顺流方向,z方向为垂直地表面向上的方向,则可以得到以下时均流方程: 连续性方程 5u x 5x+5u z 5z=0(1) 动量方程 u x 5u x 5x+u z 5u x 5z=- 1 ρ 5P 5x+γ( 52u x 5x2+ 52u x 5z2)+ 5 5x(-u x′u x′)+ 5 5z(-u x′u z′)(2) u x 5u z 5x+u z 5u z 5z=- 1 ρ 5P 5x+γ( 52u z 5x2+ 52u z 5z2)+ 5 x(-u x′u z′)+ 5 z(-u z′u z′)(3) 选择一组特定参考量(特征尺度,有量纲)对方程中的各项 进行无量纲化,使方程中各项变成特定参考量与数量级为1 的无量纲因子的乘积,这样各项的数量级就可以估算。 令: x=L?x3,z=H?z3 u x=U?u x3,u z=W?u z3 u x′u x′=u2?u x′u x′3,u z′u z′=w2?u z′u z′3,u x′u z′= uw?u x′u z′3 ρ 0= ρ?ρ3, 5P 5x= P x L ? 5P3 5x3, 5P 5z= P z H ? 5P3 5z3 将以上各式代入方程(1)、(2)、(3),则得到式(3)(4)、(5), 这样方程各项前均出现了由特征尺度所构成的有量纲因子, 对于组成各因子的特征尺度,可以得到它们的数量级。就大 气表面层运动来说,在米?千克?秒制中有[1]:L=106,H= 102;U=101,ρ=100,γ=10-5;u z数量级可由连续性方程 推出:W=10-3;u x′u x′,u x′u z′,u z′u z′这三个量的数量级 u2,uw,w2在大气表面层中与u230相同[2]。这里u30为地面 摩擦速度,近地面处值为:0.2～0.4m/s,故u2=uw=w2 =10-1。因此,对方程中各项(除了压强项)的数量级均已估 算出来,并把估算到的各项数量级写在方程对应项的下面: U L 5u x3 5x3+ W H 5u z3 5z3=0(3) 10-5 10-5 Ξ收稿日期:2002-06-13
第7章层流边界层理论 7.1 大雷诺数下物体绕流的特性 我们知道，流动雷诺数是度量惯性力和粘性内摩擦切力的相互关系的准则数，大雷诺数下的运动就意味着惯性力的作用远大于粘性力。所以早年发展起来的非粘性流体力学理论对解决很多实际问题获得了成功。但是后来的实验和理论分析均发现，无论雷诺数如何大，壁面附近的流动与非粘性流体的流动都有本质上的差别，而且从数学的观点来看，忽略粘性项的非粘性流体远动方程的解并不能满足粘性流体在壁面上无滑移的边界条件，所以不能应用非粘性流体力学理论来解决贴近物面的区域中流体的运动问题。 1904年普朗特第一次提出边界层流动的概念。他认为对于如水和空气等具有普通粘性的流体绕流物体时，粘性的影晌仅限于贴近物面的薄层中，在这一薄层以外，粘性影响可以忽略，应用经典的非拈性流体力学方程来求解这里的流动是可行的。普朗特把边界上受到粘性影响的这一薄层称之为边界层，并且根据在大雷诺数下边界层非常薄这一前提，对粘性强体运动方程作了简化，得到了后人称之为普朗特方程的边界层微分方程。过了四年，他的学生布拉修斯首先运用这一方程成功地求解了零压力梯度平板的边界层问题，得到了计算摩擦阻力的公式。从此，边界层理论正式成为流体力学的新兴分支而迅速地发展起来。 图7-1 沿薄平板的水流 简单的实验就可以证实普朗特的思想。例如沿薄平板的水流照片(见图7-1)和直接测量的机翼表面附近的速度分布(见图7-2)，即可以看到边界层的存在。观察图7-2示中的流动图景，整个流场可以划分为边界层、尾迹流和外部势流三个区域。 在边界层内，流速由壁面上的零值急速地增加到与自由来流速度同数量级的值。因此沿物面法线方向的速度梯度很大，即使流体的粘性系数较小表现出来的粘性力也较大。同时，由于速度梯度很大，使得通过边界层的流体具有相当的涡旋强度，流动是有旋的。 当边界层内的粘性有旋流离开物体流入下游时，在物体后面形成尾迹流。在尾迹流中，初始阶段还带有一定强度的涡旋，速度梯度也还相当显著，但是由于没有了固体壁面的阻滞作用，不能再产生新的涡旋，随着远离物体，原有的涡旋将逐渐扩散和衰减，速度分布渐趋均匀，直至在远下游处尾迹完全消失。 在边界层和尾迹以外的区域，流动的速度梯度很小，即使粘性系数较大的流体粘性力的影响也很小，可以把它忽略，流动可以看成是非粘性的和无旋的。
二、平板边界层速度剖面测量 1实验目的： 了解平板边界层特性，学习测量平板边界层速度剖面的方法。 在离平板前缘不同位置处，测量平板边界层内速度分布，确定边界层厚度，并和理论值进行比较。 2实验装置： 图 1 实验装置示意图 图 2 平板边界层测量原理 （1）平板：在三维小风洞中安装一块宽240毫米、长750毫米的尖前缘平板。平板表面光滑，零攻角安装。沿平板中线有若干静压孔（见上图）。 （2）总压管：头部直径1毫米的总压管，用于测量边界层内总压分布。总压管安装在坐标架上，总压管前端与静压孔齐平，小孔对准气流轴线且与平板平行。 （3）坐标架：安装在风洞上方，用于调节总压管位置。 （4）压力扫描测试仪：用于测量压差。使用时需注意仪表初始读数，以便对测量值进行修正。仪表拨盘位置与平板上测点相对应。 3实验步骤：
（1）安装好平板，并使其表面与风洞轴线平行。安装好总压管，使其对准气流方向并与平板平行。 （2）将总压管、静压孔分别与压力扫描测试仪相连。 （3）记录当天大气压和温度和仪表初读数。 （4）将总压管降到刚好与平板表面接触（必须反复调整总压管数次，以求找到最佳位置）。 这时总压管中心离平板表面的高度为y1=h/2 (h为总压管，外径=1mm)，此时坐标架的位置高度应为0.5毫米。 （5）启动风洞，调整到设定风速（变频器频率植）。记录仪表读数。 （6）上下移动坐标架，改变总压管位置，重复测量边界层内压力分布和总压管高度。由于总压管较细、管道较长，压力平衡需要一定时间。实验中要等到压力平衡后再读数。 总压管上下移动步长为1mm。 （7）重复步骤（6），直到压力计读数不再随总压管位置不同而改变为止。这时表明总压管已经到达边界层外面。由于接近边界层外边界时速度变化很小，所以必须再要往上移动总压管若干次，确认总压管已经到达边界层外部。 （8）改变总压管水平位置，同时转动压力扫描测试仪拨盘，使指针指向对应静压孔位置。 重复上述步骤，测量3-5个边界层速度剖面。 （9）风洞停车。 （10）整理实验数据，按照要求完成实验报告。 注：将总压管处于边界层外均匀区时测得的P0－P对应的气流速度作为来流速度。 4数据处理： （1）计算边界层内速度分布，速度边界层厚度。 由于边界层速度剖面是以无量纲形式画出的，不需要计算出每一点的速度，只要计算出相对速度就可以了。设y处的速度u y为 边界层外缘的速度U为 其中p0为总压管测得的压力，p为静压孔测得的压力，（p0一p）y是边界层内测得的读数。（p0一p）表示气流均匀区测得的读数，ρ为气体密度。相对速度为 当u y / U =0.99 时, 总压管的高度就是该处平板边界层的厚度。 (2) 计算边界层位移厚度及动量厚度.
3三管相贯模型的建立 本章采用“基元”进行建模，这就是说，预先定义GAMBIT建模的基元和过程。GAMBIT 包括两种类型的基元： ●几何结构 ●网格 几何结构基元是指标准形状的几何体，如方体、柱体和球体；网格基元是指基本的网格划分格局。 在本章中，将运用几何基元创建一个三管相贯模型，进而介绍如何将此几何体分解为四部分并生成边界层，最后，运用网格基元对此三管相贯体进行网格划分。 通过对本章的学习，将学到： ●怎样通过定义维数创建几何体 ●怎样分割几何体 ●怎样使用GAMBIT日志文件 ●怎样给几何体加边界层 ●怎样将网格读入到POL YFLOW 3.1前提 学习本章之前已经学习过第一章，并且熟悉GAMBIT界面。 3.2 问题描述 本章考虑的问题如图3-1所示。该几何体是由三根相贯的管子组成，每根管子的直径为6，长度为4。三根管子相互正交。此几何体可以由三根相贯的圆柱体和一个位于相交角处的八分之一球体组成。 图3-1：问题说明图 3.3 策略 在本章中，首先将迅速生成三管相贯的基本几何体。该几何体可以用四面体自动进行网格划分。但是，本章的目标是为POL YFLOW生成等角的六面体网格。这就要求在网格化之
前对几何体进行分解。因此，本章给出了把一个复杂几何体分解成可网格化几何体的一些典型步骤（过程）。 首先，用一个方体对三管相贯体的一部分进行分割，产生的几何体就是一个八分之一球体，位于三管相贯的角落，如图3-2所示。这个形体，形状上与一个四面体非常近似，因此，可以用GAMBIT中的Tet Primitive方法进行网格划分。注意，这生成的是四面体拓扑的六面体网格，不是四面体网格。 图3-2：三管相贯体的分解 然后，剩下的几何体将被分割成三部分，每一根管子为一部分，如图3-1所示。为了做到这一点，先必须创建一条边和三个面。这三个几何体都将采用GAMBIT中的Cooper方法来进行网格划分（GAMBIT建模向导中将详细介绍）。本章将介绍三种不同的方法来确定Cooper方法所要求的源面。 本章还介绍了两个有用的主题：日志文件的使用和边界层的网格化。日志文件是所有输入到GAMBIT中的命令的记录。此文件可以进行编辑，并且，输入的命令可以转变成允许几何体快速生成和网格化的参数（如，改变主维）。 GAMBIT中的边界层网格化工具可以控制在壁面和其他边界附近怎样进行网格的细化。 3.4 步骤 启动GAMBIT。 第一步选择解算器 1.选择将用来运行CFD计算的解算器，方法是在主菜单栏中选择： Solver－>POL YFLOW 解算器的选择就是各种形式的解算器中指定一种（例如，边界类型可以在Specify Boundary Types形式中获得）。目前选择的解算器在GAMBIT GUI的顶部有显示。 第二步创建几何体
大气边界层在高雷诺数下的模拟结果 3.1 不同亚格子模型对大气边界层数值模拟结果的影响 在不可压缩湍流中，亚格子涡粘模型采用分子粘性的形式[19]，即： 123ij ij t ij kk S τνδτ-=+ (1) 在公式(1)中，t ν为亚格子涡粘系数， _ij S 是可解尺度的变形率张量。可以看出，在涡粘模型中，加上涡粘系数后，就可以使用纳维斯托克斯方程直接数值计算，其中，涡粘系数是需要对其封闭的，可以有不同的形式。 将亚格子涡粘模型(1)代入到大涡数值模拟的控制方程中，可以得到大涡数值模拟控制方程[12]： _()()3i j j i kk j i j j i u u u u u p t x x x x x τνν--- --??????+=-+++?????? ， 1Re t νν=+ (2) _ 0i i u x ?=? (3) 可以看出，代入亚格子涡粘模型和涡扩散模型后，湍流控制方程的变化只是在分子扩散系数上加亚格子涡粘系数，下面给出亚格子涡粘系数的两种形式。 3.1.1 Smagorinsky 模式 在大涡模拟中将雷诺平均混合长度模式推广，得到原始的Smagorinsky 模式，混合长度模式的涡粘公式[20]为： '2 t u u l l y ν?<>∝∝? 令l =?，那么在二维空间中有： 2()2ij ij u S S y ?<>=<><>? 将上式推广到三维空间中可得到如下关系： 1 2 2(2)t ij ij l S S ν∝<><> 同样，令l =?，将平均运算改为过滤运算，并引入模型常数后，可将亚格子涡粘系数写成以下形式：
__222t S ij ij C S S ν=?<> (4) 在实际模拟计算中发现模型常数明显偏大,Smagorinsky 模式的致命缺点是耗散比较大，下面利用近壁阻尼函数，对Smagorinsky 系数进行修正，从而减少耗散[19]。 对Smagorinsky 系数S C 做如下修正： 0.18[1exp(/)]s C y A ++=-- 式中/y yu τν+=，26A +=，[1exp(/)]f y A ++=--称为近壁阻尼函数。 3.1.2 动力模式 涡粘[13]和涡扩散模式在工程计算中有普遍的应用。但因其导出过程以均匀各向同性湍流为基础，实际流动中的复杂湍流并不满足这些条件，所以通过对亚格子模型的改进，使这种模式适应局部湍流的结构，下面介绍的动力模式是经过改进的亚格子涡粘模型。 动力模式在模拟过程中使用了两次过滤，假定过滤过程是线性的，且有12?>?，由1?、2?过滤产生的亚格子应力和连续两次过滤产生的亚格子应力 可得到如下关系： 13ij kk ij D ij L L C M δ-= 因为上式为超定方程，所以不能直接计算系数D C ,但有以下几种方法来解决超定 问题[14]。第一个为变形率张量收缩法，即将上式两边同乘以可解尺度的变形率张量。但是实际计算表明，用这种方法计算的模式系数很不规则，而且计算过程中的稳定性较差；第二种为最小误差法，令这个超定方程两边的平方差最小，即： 2 103ij kk D ij D L L C M C ???--=????? 可得到： ij ij D ij ij M L C M M = (5) 在式(5)中，ij L 和流动的形态有关，ij M 和模式的形式有关。最小误差法比变形 率张量收缩法已经有很大改进，但是仍有缺陷：①模式系数D C 可能会出现负值， 导致计算结果发散；②分母可能很小，也导致计算结果发散。为了克服计算上的困难，采用平均系数法，对(5)式右端的分子和分母分别求系综平均，得到模式系数为：
第五章?大气环境保护概述５.1大气环境基础知识5.１.１大气污染 1、大气的成分?地球表面附近的大气是包括颗粒尘埃在内的混合气体，其组成包括恒定的和不定的 两种。 在近地层大气中有氮、氧、氩、氖、氪、氙、氢等成分,其中氮、氧、氩占大气总量的９9.9６％,这三种成分的含量几乎不变。大气中的不定成份主要是自然过程和人为活动的排入大气污染物质,如物质燃烧的灰份,火山爆发的尘埃，风起的灰尘以及工业、交通排出的废气等。 ２、大气污染 大气污染也称空气污染，是指大气中的污染物质，当其数量、浓度、毒性以及大气中持续时间等因素的综合作用结果，可能会使某些地区的生物体的生命和人类的健康、或生产活动受到影响。 （1）大气污染源 通常把能产生大气污染物的场所、设备、装置等称为大气污染源。大气污染源总的来说有两类:一类是自然污染,如大风刮起的地面沙尘，森林火灾产生的ＣO２、NO2等。另一类是人类活动产生的污染物，如工矿企业、交通运输排出的废气、毒气、烟尘和放射性元素;燃料燃烧排出的碳氢化合物、ＣO、SO2和烟尘;另外还有散播的农药、核武器和化学武器的试验残余物等。 (2）大气污染物?大气污染物的种类和成份十分复杂。从污染物的物理性质来看，大气污染物可分为颗粒物质和气体污染物。烟尘、粉尘是固体颗粒物质，这些颗粒物质悬浮于大气中常称为气溶胶。直径大于10微米的颗粒物质叫“降尘”,它可以在离污染源较短的距离之内落到地面。直径小于1０微米的叫“飘尘”，它们可以在大气中停留数小时甚至几年。 上述污染物是由污染源直接排出的,称为一次污染物。有的一次污染物不稳定,在大气中经化学反应或光化学反应，形成新的污染物,称为二次污染物。 3、大气污染对人类的危害和影响?大气污染物危害人体主要通过表面接触、呼吸、食入等途径。 其对健康的危害主要表现为引起呼吸道疾病。在突然的高浓度污染物作用下可造成急性中毒。这里针对几种主要交通污染物对健康等方面的影响作简单介绍。 （１）粉尘 道路施工时会产生粉尘也叫尘埃，尘埃中粒径大于１0微米的颗粒物,大多可被鼻腔和咽喉所捕集,不会进入肺泡。但粒径小于1０微米的飘尘，即ＰＭ10长时间在空中飘浮,易被吸入呼吸系统。其中较小的微粒侵入到没有粘液层和纤毛层的肺的深部组织中并沉积下来。这些物质如果被溶解，就会直接侵入血液,可能造成中毒。未被溶解的物质可能被吞噬细胞所吸收,它们如果是有毒的,就会杀死该细胞,造成细胞破坏。未被 (2）氮氧化物（NO 吞噬细胞吸收的物质,则侵入肺组织或淋巴结，有可能造成尘肺和其它感染。? ｘ)和光化学烟雾 一氧化氮(NO)无色、无刺激，化学性质不活泼。二氧化氮（NO２)为刺激性?气体。空气中两者可以互相氧化还原，对呼吸系统都有毒性,但NO２的毒性比NO大５倍。NO能与血红蛋白结合，从而使血液的输氧功能下降,它还会使中枢神经受损,使人痉挛或麻痹。NO急性中毒会导致肺水肿或窒息而死亡。NＯ2对眼、鼻有强烈刺激。污染环境中肺功能明显受损,经常接触可形成慢性肺气肿或肺纤维化，ＮO2对心脏、肝脏、造血器官等脏器也有损害作用。?空气中的NO，在阳光的作用下,还能与ＣO、CnHｍ等作用，生成光化学烟雾。这种烟雾对眼睛的刺激作用特别强，浓度大于０.1pｐｍ时，短时间接触就能使泪流不止，甚至头痛、呼吸障碍：浓度增加到50ppm,人有死亡的危险。 (３）一氧化碳（CO)?ＣO是无色、无臭的气体。浓度为９00ppm接触1小时,能使人头痛、眼睛呆滞;浓度在12００ｐｐm以上作用1小时，可使神经麻痹,发生生命危险。 （４）碳氢化合物（ＣnＨm)?CｎHm种类很多。如由于燃料燃烧不完全或石油裂解过程中产生的挥发性烃;又如沥青烟气中含有强致癌物质的苯并芘。这些污染物对眼、鼻和呼吸道有强烈的刺激作用，