風洞實驗是研究風沙運動物理規(guī)律的重要手段,然而現有的風洞實驗條件與實際野外環(huán)境有著很大的區(qū)別,進而造成風沙遷移風洞實驗結果與野外觀測數據有極大的偏差。在大氣邊界層風洞內近似復現野外陣風環(huán)境是風沙遷移研究發(fā)展的重要基礎,也是現今風洞實驗中的一個熱點問題。本文首先應用傅里葉變換對野外陣風觀測數據進行了頻譜分析,發(fā)現野外陣風能量主要集中在低頻部分,在風沙躍移層頂部高度處91.15%的風能集中在0.05Hz以下。通過比較3種常用濾波方法的濾波效果,引入小波變換對野外陣風風速時序進行濾波。應用遺傳算法對濾波后的野外陣風離散數據進行分段擬合,轉化為一系列連續(xù)的正弦風速曲線。另一方面在雙動力風機的大氣邊界層風洞內通過組態(tài)王軟件-PLC-變頻器（2臺）進行風機的獨立變頻控制,實驗測定了風機工作電流頻率與風洞內風速的標定關系。在滿足風洞內風速變化與風機電流頻率變化的跟隨性要求的基礎上,以正弦風為基元,實現了風洞內正弦型非定常風和拍頻波形非定常風的可控生成。最后,基于風速標定曲線,將野外陣風濾波、擬合后的一系列正弦風速曲線轉換為相應的電流頻率曲線輸入到組態(tài)王軟件中,經由PLC通信,通過變頻器控制風機轉速按... 

【文章來源】：西北大學陜西省 211工程院校

【文章頁數】：73 頁

【學位級別】：碩士

【部分圖文】：

塔克拉瑪干沙漠南緣風速梯度觀測照片

西北大學碩士學位論文12圖2-2野外陣風觀測數據（塔克拉瑪干沙漠南緣近地表高度為30cm處）2.2野外陣風的頻譜分析2.2.1傅里葉變換原理簡介陣風信號在時域上具有無序性及不穩(wěn)定的特點，很難從時域分析野外陣風的特點，通常需要進行頻譜分析。傅里葉變換是信號分析中常用的分析方法[52]，通過傅里葉變換可以將數據的時域信息轉化為頻域信息，觀察數據的頻譜可以得出在時域觀察不到的現象。傅里葉分析首次出現于1807年法國科學家傅里葉的一篇關于熱傳導的論文，自此以后，傅里葉分析廣泛應用于物理、化學、工程等多種領域并取得了許多突破性的成果[53,54]。離散傅里葉變化為傅里葉分析應用于離散數據處理而發(fā)展的一種方法[55]。野外陣風數據是通過風速計以1Hz的采樣頻率在野外中測量得到的，屬于離散數據，對野外陣風的風速時序進行離散傅里葉變換可以獲得陣風能量在頻域上的分布，從而確定野外陣風的主要含能頻率區(qū)間。2.2.2野外陣風頻譜分析式（2-1）為離散傅里葉變換的計算公式，應用式（2-1）對野外陣風測量數據進行離散傅里葉變換，得到陣風風速數據的頻域分布。120()(),(0,1,2,...,1)NjknNnXkxnekN（2-1）

第二章野外陣風的能譜分析13式中，x(n)代表測量得到的第n個風速數據，N為風速數據序列的長度，X(k)表示離散傅里葉變換后第k次諧波分量的系數。功率譜密度函數是指每個頻率分量的能量占總能量的比例，通過計算野外陣風的功率譜密度函數可以獲得陣風中各個頻率分量的占比情況，從而確定野外陣風的能量分布情況。式（2-2）為功率譜密度函數分布函數的計算公式，式（2-3）為野外陣風頻率的計算公式。（2-2）式中，為傅里葉變換后第k次諧波的幅值，P(k)為相應的功率譜密度sffkN（2-3）式中，sf為采樣頻率，f為野外陣風的頻率。將陣風數據使用式(2-1)進行離散傅里葉變換后得到的結果代入式(2-2)中即可得到風速數據的功率譜。圖2-3為野外陣風功率譜的半對數圖，其中橫軸為頻率，采用普通算數坐標；縱軸為功率譜密度，采用對數坐標。圖2-3野外陣風風速數據的功率譜從野外陣風的能譜上可以看出，野外陣風的能量大部分都集中于低頻區(qū)域內，隨著頻率的增加，頻率分量所占的能量越來越校為了進一步量化自然陣風數據的能量分布情況，根據式（2-4）可以計算得到相對能量累加百分比，P(i)為第i次諧波分量的功率譜密度，S(k)為從第0次諧波累加至第k次諧波分量能量之和占總能量的百分比。圖2-4為累積能量占比分布圖。X(k)()=|()|2

【參考文獻】：
期刊論文
[1]傅里葉分析在高層建筑物GPS動態(tài)觀測中的應用[J]. 郭嘯川,范鵬宇,黨沙沙.  礦山測量. 2019(06)
[2]3.5 m×2.5 m風洞大氣邊界層被動模擬實驗研究[J]. 周興,李建蘭,Demetri Bouris.  太陽能學報. 2018(02)
[3]格柵紊流風特性參數模擬規(guī)律研究[J]. 白樺,何晗欣,劉健新,趙國輝,高亮.  振動與沖擊. 2016(22)
[4]一項對聲波的拍頻現象的探究[J]. 楊正麗,趙強.  物理通報. 2014(03)
[5]非定常陣風場對沙粒躍移運動的影響淺析[J]. 楊斌,高凱,劉江,王元.  力學與實踐. 2013(01)
[6]基于Matlab的巴特沃斯濾波器設計[J]. 王大偉,賈榮叢,王劃一.  現代電子技術. 2012(21)
[7]基于小波降噪方法和季度數據的中國產出缺口估計[J]. 楊天宇,黃淑芬.  經濟研究. 2010(01)
[8]利用尖劈和粗糙元技術模擬大氣邊界層的研究[J]. 徐洪濤,廖海黎,李明水,何勇.  公路交通科技. 2009(09)
[9]邊界層風洞主動模擬裝置的研制及實驗研究[J]. 龐加斌,林志興.  實驗流體力學. 2008(03)
[10]遺傳算法研究綜述[J]. 秦偉娜,劉希玉.  科技信息(科學教研). 2007(34)

博士論文
[1]風沙流中近地表沙粒運動的實驗以及理論預測[D]. 段紹臻.蘭州大學 2013

碩士論文
[1]基于轉動翼柵的紊流風特性風洞模擬研究[D]. 劉波.西南交通大學 2017
[2]基于振動格柵的大氣邊界層風洞模擬方法研究[D]. 魏芬洋.哈爾濱工業(yè)大學 2016
[3]遺傳算法中適應度尺度變換與操作算子的比較研究[D]. 郭曉原.華北電力大學 2012
[4]大氣邊界層的風洞被動模擬研究[D]. 辛金超.哈爾濱工業(yè)大學 2010
[5]電機故障診斷及小波基函數的選擇[D]. 鄢玉.太原理工大學 2006
[6]陣風風譜的風洞模擬研究[D]. 鐘春.西安建筑科技大學 2004
[7]正弦型風譜的風洞實驗與數值模擬研究[D]. 衛(wèi)軍鋒.西安建筑科技大學 2003



本文編號：3482097