【摘要】：龍卷風(fēng)是一種極端天氣,具有持續(xù)時(shí)間短、風(fēng)力大、破壞力強(qiáng)和難以預(yù)測(cè)等特點(diǎn)。在地球上除南極洲外,其它大洲都有龍卷風(fēng)發(fā)生,北美和歐洲更是龍卷風(fēng)的多發(fā)地。全球每年因龍卷風(fēng)造成的經(jīng)濟(jì)損失和人員傷亡都十分巨大。雖然人們通過(guò)數(shù)值模擬、實(shí)驗(yàn)?zāi)M和現(xiàn)場(chǎng)測(cè)量等方法進(jìn)行了大量研究,但對(duì)于龍卷風(fēng)的生成機(jī)理、結(jié)構(gòu)特點(diǎn)和破壞方式還沒(méi)有統(tǒng)一的定論。近年來(lái),人們?cè)谘芯魁埦盹L(fēng)時(shí)發(fā)現(xiàn)了其在旋風(fēng)分離器和航空發(fā)動(dòng)機(jī)等領(lǐng)域的實(shí)際應(yīng)用價(jià)值,另外還有研究者提出了利用龍卷風(fēng)發(fā)電的設(shè)想。因此,無(wú)論是防范龍卷風(fēng)造成災(zāi)害還是利用龍卷風(fēng)產(chǎn)生價(jià)值,都需要對(duì)龍卷風(fēng)進(jìn)行系統(tǒng)而全面的研究。這對(duì)于社會(huì)經(jīng)濟(jì)發(fā)展和人類生存環(huán)境的保護(hù)都有重要的意義。本文采用數(shù)值模擬的方法來(lái)研究龍卷風(fēng)的內(nèi)部結(jié)構(gòu)和速度分布,分析各種因素對(duì)龍卷風(fēng)風(fēng)場(chǎng)造成的影響,設(shè)計(jì)并制造了龍卷風(fēng)發(fā)生器。主要研究?jī)?nèi)容如下:對(duì)已有的龍卷風(fēng)發(fā)生裝置進(jìn)行簡(jiǎn)化,建立了數(shù)值模擬的物理模型,包括入流區(qū)、對(duì)流區(qū)和出流區(qū)三個(gè)組成部分。使用商用軟件FLUENT來(lái)進(jìn)行數(shù)值模擬,并將數(shù)值模擬結(jié)果與實(shí)際測(cè)量結(jié)果進(jìn)行了比較,驗(yàn)證了本文數(shù)值模擬方法的準(zhǔn)確性。研究了龍卷風(fēng)風(fēng)場(chǎng)的內(nèi)部結(jié)構(gòu)和流場(chǎng)特性,發(fā)現(xiàn)了不同結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)換的臨界渦流比,得到了風(fēng)場(chǎng)的速度分布和核心半徑的變化規(guī)律。由于現(xiàn)實(shí)中龍卷風(fēng)是移動(dòng)的,并且經(jīng)常會(huì)經(jīng)過(guò)城鎮(zhèn),因此分析了平移、粗糙表面對(duì)龍卷風(fēng)風(fēng)場(chǎng)的影響。在本次數(shù)值模擬中,入口風(fēng)速和模型尺寸是可變因素,所以研究了其對(duì)龍卷風(fēng)風(fēng)場(chǎng)的影響。根據(jù)數(shù)值模擬結(jié)果,提出并設(shè)計(jì)了一種新的龍卷風(fēng)發(fā)生裝置,通過(guò)實(shí)驗(yàn)測(cè)量數(shù)據(jù)與數(shù)值模擬結(jié)果進(jìn)行對(duì)比,驗(yàn)證了該裝置可以產(chǎn)生近似龍卷風(fēng)的風(fēng)場(chǎng)。本文采用計(jì)算流體力學(xué)方法,研究結(jié)果為實(shí)驗(yàn)研究龍卷風(fēng)提供了新的發(fā)生裝置,為龍卷風(fēng)在實(shí)際中應(yīng)用奠定了基礎(chǔ)。
【圖文】：

a）水龍卷 b) 火龍卷c) 多旋渦龍卷 d) 陸龍卷圖1-1 龍卷風(fēng)分類在孟加拉國(guó)，每年近乎 200 人直接或間接喪生于龍卷風(fēng)。加拿大每年因龍卷風(fēng)造成的經(jīng)濟(jì)損失達(dá)數(shù)千萬(wàn)美元。據(jù)相關(guān)部門統(tǒng)計(jì)，世界上龍卷風(fēng)出現(xiàn)最多的國(guó)家是美國(guó)，平均每年近千個(gè)龍卷風(fēng)襲擊美國(guó)，每起龍卷風(fēng)造成上千人傷亡。美國(guó)中西部和南部由于其獨(dú)特的地理?xiàng)l件和氣象條件成為美國(guó)發(fā)生龍卷風(fēng)最多的區(qū)域。發(fā)生于 1925 年 3 月 18 日，越過(guò)了美國(guó)三個(gè)州的 三州大龍卷 導(dǎo)致 695 人死亡，是目前人類歷史上有記載的傷亡最慘重的龍卷風(fēng)。我國(guó)在 1949 年至 1990 年間，有統(tǒng)計(jì)記載的龍卷風(fēng)發(fā)生 97 次，，分布省份包括河南、江西、廣東、廣西、黑龍江、上海等 20 余個(gè)省及直轄市

研究者制作了幾種實(shí)驗(yàn)室人造龍卷風(fēng)生成裝置，如圖1-2 所示。Tari[7]等利用小型龍卷風(fēng)產(chǎn)生裝置，如圖 1-2a)，研究了渦流比從0.08 到 1 之間的龍卷風(fēng)風(fēng)場(chǎng)的動(dòng)力特征，認(rèn)為龍卷風(fēng)的切向速度和徑向速度以及核心半徑隨著渦流比的增加而增加，最大切向速度和徑向速度在距離龍卷風(fēng)和地面相互作用的不遠(yuǎn)處。在小渦流比下，存在層流核心，隨著渦流比
【學(xué)位授予單位】：哈爾濱工業(yè)大學(xué)
【學(xué)位級(jí)別】：碩士
【學(xué)位授予年份】：2015
【分類號(hào)】：P445

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