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野外阵风的大气边界层风洞模拟

张博  
【摘要】:风洞实验是研究风沙运动物理规律的重要手段,然而现有的风洞实验条件与实际野外环境有着很大的区别,进而造成风沙迁移风洞实验结果与野外观测数据有极大的偏差。在大气边界层风洞内近似复现野外阵风环境是风沙迁移研究发展的重要基础,也是现今风洞实验中的一个热点问题。本文首先应用傅里叶变换对野外阵风观测数据进行了频谱分析,发现野外阵风能量主要集中在低频部分,在风沙跃移层顶部高度处91.15%的风能集中在0.05Hz以下。通过比较3种常用滤波方法的滤波效果,引入小波变换对野外阵风风速时序进行滤波。应用遗传算法对滤波后的野外阵风离散数据进行分段拟合,转化为一系列连续的正弦风速曲线。另一方面在双动力风机的大气边界层风洞内通过组态王软件-PLC-变频器(2台)进行风机的独立变频控制,实验测定了风机工作电流频率与风洞内风速的标定关系。在满足风洞内风速变化与风机电流频率变化的跟随性要求的基础上,以正弦风为基元,实现了风洞内正弦型非定常风和拍频波形非定常风的可控生成。最后,基于风速标定曲线,将野外阵风滤波、拟合后的一系列正弦风速曲线转换为相应的电流频率曲线输入到组态王软件中,经由PLC通信,通过变频器控制风机转速按此变化,在风洞内生成了具有野外阵风低频特征的非定常风。风洞内生成的非定常风与野外阵风低频区间的相关性系数为0.8942,能量损失率为3.36%,压缩比为9.3%,结合能谱分布结果可以说明,应用上述的风速信号处理、变频控制方法,能够在双动力风机大气边界层风洞内近似复现野外阵风环境。在此基础上,可进行非定常风沙迁移的风洞实验研究,促进风沙迁移理论研究与实践相统一。


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