吳明長(zhǎng)，王啟明，郭永衛(wèi)，趙保慶

(中國(guó)科學(xué)院國(guó)家天文臺(tái)，北京 100012)

計(jì)劃在中國(guó)貴州某喀斯特洼地內(nèi)建設(shè)的500 m口徑球面射電望遠(yuǎn)鏡FAST，通過主動(dòng)控制在觀測(cè)方向形成300 m口徑瞬時(shí)拋物面。采用光機(jī)電一體化的索支撐輕型饋源平臺(tái)及平臺(tái)內(nèi)二次調(diào)整裝置，在饋源與反射面之間無剛性連接的情況下，實(shí)現(xiàn)高精度的指向跟蹤［1－3］。其主動(dòng)反射基準(zhǔn)面為半徑300 m、口徑500 m的球冠。在主動(dòng)反射面初步設(shè)計(jì)過程中，風(fēng)荷載是FAST反射面主要外部載荷［4］，需要進(jìn)行抗風(fēng)設(shè)計(jì)，而現(xiàn)行建筑設(shè)計(jì)規(guī)范GB 50009-2001［5］中并無合適的抗風(fēng)設(shè)計(jì)體型系數(shù)，因此需要通過數(shù)值模擬獲得抗風(fēng)設(shè)計(jì)的依據(jù)。針對(duì)FAST進(jìn)行的風(fēng)環(huán)境模擬前期研究［6］，給出了FAST反射面風(fēng)壓系數(shù)隨風(fēng)向的變化，同時(shí)給出了FAST索網(wǎng)結(jié)構(gòu)的風(fēng)振響應(yīng)初步分析。但隨著項(xiàng)目的進(jìn)展，該研究結(jié)果已不能滿足工程需要，需要進(jìn)行更深入的研究。

目前，現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試、風(fēng)洞試驗(yàn)、數(shù)值模擬是獲得建筑物風(fēng)壓系數(shù)的3種途徑。現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試最為直觀和真實(shí)，但耗費(fèi)人力物力時(shí)間較多。存在如何布置測(cè)點(diǎn)，某些關(guān)鍵位置難以布置測(cè)點(diǎn)及獲得結(jié)果種類有限的問題。風(fēng)洞試驗(yàn)成本高，而且由于邊界層風(fēng)洞模擬的局限，結(jié)果是否可靠還存在爭(zhēng)議［7］?；谟?jì)算流體動(dòng)力學(xué)(Computational Fluid Dynamics，CFD)的數(shù)值模擬存在邊界條件難以符合實(shí)際情況，理論模型欠完備等缺點(diǎn)。盡管如此，CFD數(shù)值模擬成本相對(duì)較低，可以給出很多無法測(cè)量的結(jié)果，對(duì)分析流場(chǎng)規(guī)律和特點(diǎn)有著難以替代的作用。本文給出了射電望遠(yuǎn)鏡FAST風(fēng)環(huán)境數(shù)值模擬的主要結(jié)果，探討了有關(guān)FAST風(fēng)環(huán)境的影響因素和規(guī)律。

1 數(shù)值模擬方法與模型

1.1 理論模型

大氣邊界層內(nèi)繞建筑物流動(dòng)的空氣可以假設(shè)為低速、不可壓的粘性牛頓流體，基本控制方程是質(zhì)量守恒方程和動(dòng)量守恒方程［8］:式中，Sm是質(zhì)量源項(xiàng);ρ是靜壓;τij為應(yīng)力張量，可以用速度和坐標(biāo)分量表達(dá);ρgi是重力;Fi是其它體積力或用戶自定義源項(xiàng)。

計(jì)算流體動(dòng)力學(xué)軟件FLUENT［9］基于有限體積法，將計(jì)算域離散化為一系列控制體積，在控制體上求解質(zhì)量、動(dòng)量、能量、組分等通用守恒方程，將偏微分方程組離散化為代數(shù)方程組，用數(shù)值方法求解偏微分方程組以獲取流場(chǎng)參數(shù)的離散數(shù)值解。然而，由于實(shí)際湍流流場(chǎng)的復(fù)雜性，在求解過程中，直接求解這些方程組，尤其是動(dòng)量方程組，對(duì)計(jì)算機(jī)計(jì)算能力要求很高，因此在工程應(yīng)用中，一般將湍流各變量在時(shí)域看作平均和脈動(dòng)兩部分，將動(dòng)量方程逐項(xiàng)平均得到不封閉的雷諾方程，并且提出多種湍流封閉模式求解這些雷諾方程［9］。不同的湍流封閉模式有著不同的特點(diǎn)，常用的幾種模型在預(yù)測(cè)鈍體表面風(fēng)壓分布時(shí)結(jié)果差別不大。因此，盡管標(biāo)準(zhǔn)k-ε模型對(duì)于分離的預(yù)測(cè)不夠準(zhǔn)確，但由于工程應(yīng)用精度要求不高，并且由于標(biāo)準(zhǔn)k-ε模型工程上應(yīng)用廣泛，所以本文有關(guān)計(jì)算中一般采用標(biāo)準(zhǔn)k-ε模型。

1.2 幾何模型

經(jīng)過分析試算，確定了將口徑500 m的FAST反射面和水平尺度約3 km×3 km的山體模型放置于XYZ方向尺度分別為40 km×10 km×5.5 km的計(jì)算域中。其中，來流方向的計(jì)算域尺度為40 km，反射面中心位置距離來流入口20 km，垂直于來流方向的計(jì)算域尺度為10 km，計(jì)算域底部海拔為500 m，頂部海拔為6000 m。為減小網(wǎng)格劃分的難度并減小計(jì)算量，將計(jì)算域分為外部和內(nèi)部?jī)蓚€(gè)。

保持坐標(biāo)系及內(nèi)部計(jì)算域和計(jì)算對(duì)象不變，旋轉(zhuǎn)外部計(jì)算域至不同角度，可方便地獲得用于不同風(fēng)向工況計(jì)算的幾何模型，在此基礎(chǔ)上形成網(wǎng)格模型和CFD計(jì)算模型。風(fēng)向約定沿用地學(xué)中常用的表達(dá)習(xí)慣，以正北為0點(diǎn)鐘或12點(diǎn)鐘方向，正東為3點(diǎn)鐘方向。X軸正向指向3點(diǎn)鐘方向，Y軸正向指向12點(diǎn)鐘方向，Z軸正向豎直向上。以3點(diǎn)鐘方向?yàn)槔?，外部?jì)算域和內(nèi)部計(jì)算域的相對(duì)位置關(guān)系如圖1。其中，中心區(qū)域包含了FAST反射面結(jié)構(gòu)、山體表面及可能的擋風(fēng)墻結(jié)構(gòu)，如圖2。

圖1 3點(diǎn)鐘風(fēng)向下外部計(jì)算域和內(nèi)部計(jì)算域Fig.1 External and internal calculation domains with the wind direction of 3 o’clock

圖2 山體表面、FAST反射面及擋風(fēng)墻結(jié)構(gòu)的幾何模型(a)3 km×3 km山體表面;(b)中心350 m范圍開挖后地形;(c)FAST反射面在洼地內(nèi)的相對(duì)位置;(d)不同高度、不同徑向位置的擋風(fēng)墻Fig.2 Geometric model of the hill surface，the reflector of FAST，and the windbreaks(a)Hill surface of 3km×3km;(b)The excavated terrain within 350m from the center;(c)The relative position of the reflector in the depression;(d)Windbreaks of different heights and radial positons

1.3 網(wǎng)格模型

山體表面形狀本身是不規(guī)則的，反射面臨近地域在開挖后帶來更多片狀不規(guī)則區(qū)域，這種不規(guī)則性，給幾何建模、網(wǎng)格劃分及生成有效的CFD計(jì)算模型帶來困難。采用分區(qū)劃分及非結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格劃分的方法，獲得了多種計(jì)算工況下的網(wǎng)格模型，典型網(wǎng)格劃分結(jié)果的部分表面網(wǎng)格見圖3。相應(yīng)的網(wǎng)格設(shè)置如表1，不同范圍的邊界之間，通過網(wǎng)格劃分軟件的邊界網(wǎng)格一致功能實(shí)現(xiàn)。

圖3 地形表面的網(wǎng)格(a)山體表面網(wǎng)格，由外到內(nèi)逐漸加密;(b)距離反射面中心350 m范圍內(nèi)的地表網(wǎng)格Fig.3 The CFD mesh grid at the surface of the terrain(a)Mesh grid at the hill surface(appearing denser in the inner area);(b)The mesh grid at the terrain surface within the radial distance of 350m from the center

表1 不同地形范圍內(nèi)的網(wǎng)格大小設(shè)置Table 1 The mesh sizes for the different regions of the terrain surface

1.4 邊界條件

計(jì)算域入口邊界條件采用剪切流風(fēng)剖面，根據(jù)建筑物結(jié)構(gòu)荷載規(guī)范GB 50009-2001，近地面風(fēng)速沿高度方向近似按指數(shù)分布，如下式:

對(duì)于山地和叢林，指數(shù)α取0.16，速度基準(zhǔn)高度Vb一般以地面以上Zb=10 m計(jì)，Vb取規(guī)范中要求的極限風(fēng)速14 m/s。

來流湍流強(qiáng)度采用澳大利亞規(guī)范中第2類地貌的取值，

顯然，來流速度和湍流特性與坐標(biāo)相關(guān)，這種變化的邊界條件在FLUENT軟件中可以通過用戶自定義函數(shù)(User Defined Function，UDF)實(shí)現(xiàn)。

為保證植被光照需求，所設(shè)計(jì)的FAST反射面其透孔率約為35.4%。反射面各單元是多孔薄面板形式，相對(duì)于總體尺度，1.2 mm板厚和5 mm孔直徑非常小，而且孔的數(shù)量又很多，試圖直接將孔的模型反映在計(jì)算模型中是不現(xiàn)實(shí)的，直接忽略也缺乏依據(jù)。為了考察反射面板透孔率對(duì)流場(chǎng)的影響，在后文中嘗試使用FLUENT軟件中多孔介質(zhì)跳躍的邊界條件模擬透孔反射面的空氣動(dòng)力學(xué)特性。具體做法是首先通過數(shù)值模擬計(jì)算空氣流過透孔面板后壓降隨速度的變化關(guān)系，然后根據(jù)這種速度壓降關(guān)系，計(jì)算得到多孔介質(zhì)跳躍的邊界條件所要求的面滲透性α和慣性阻力因子C2。出口采用完全發(fā)展邊界條件，即流場(chǎng)任意物理量沿出口法向梯度為0。計(jì)算域頂部和底部取自由滑移的運(yùn)動(dòng)壁面條件，地面和物體表面取靜止壁面條件。

考慮到山體表面巖石、樹木等不平整因素的影響，將山地表面分為兩個(gè)區(qū)域，距離反射面中心350 m之外和之內(nèi)兩部分。因?yàn)?50 m之內(nèi)大部分需要開挖和施工，基本沒有高大樹木等，取較小的粗糙高度，而對(duì)350 m之外的部分，則取較大的粗糙高度。

2 計(jì)算方法和結(jié)果

計(jì)算中采用基于壓力的求解器，穩(wěn)態(tài)計(jì)算，湍流模型采用標(biāo)準(zhǔn)k-ε模型，采用標(biāo)準(zhǔn)壁面函數(shù)近似處理近壁網(wǎng)格劃分不夠細(xì)致的問題。計(jì)算過程中根據(jù)實(shí)際迭代情況，調(diào)整松弛因子，一般收斂準(zhǔn)則為殘差小于1×10－3，同時(shí)以關(guān)鍵物理量是否穩(wěn)定作為收斂與否的判據(jù)。

首先通過分析和試算確定了入口速度計(jì)算的基準(zhǔn)高度，然后利用數(shù)值模擬獲得了FAST反射面透孔面板的速度壓降特性，并以此為基礎(chǔ)計(jì)算了是否考慮面板透孔率兩種情形的反射面風(fēng)壓系數(shù)分布特點(diǎn)及其與風(fēng)向的關(guān)系，最后給出了擋風(fēng)墻效果數(shù)值模擬研究的部分結(jié)果。

2.1 基準(zhǔn)高度對(duì)計(jì)算結(jié)果的影響

確定計(jì)算域入口速度剖面時(shí)，由于FAST臺(tái)址洼地地表起伏很大，不能作為CFD分析模型中Z向坐標(biāo)的起點(diǎn)。需要引入基準(zhǔn)高度Hb，才能恰當(dāng)描述計(jì)算域入口速度剖面，如下式:

結(jié)合山地表面海拔高度，以及計(jì)算域頂部和底部的海拔高度，對(duì)若干不同Hb值進(jìn)行了試算，得到反射面下表面和上表面風(fēng)壓系數(shù)之差與Hb的關(guān)系，如圖4。

首先，基準(zhǔn)高度應(yīng)小于所涉及的地形邊界的最低海拔高度，對(duì)本文所涉及的地形，這個(gè)高度約為810 m。另外，由圖4可以看出，在810 m上下40 m的變化范圍內(nèi)，反射面風(fēng)壓系數(shù)的極值和均值對(duì)參考高度是不敏感的，因此后續(xù)計(jì)算中，一系列分析計(jì)算中基準(zhǔn)高度Hb的取值均為810 m。

2.2 透孔面板的速度壓降特性

圖4 反射面下表面、上表面風(fēng)壓系數(shù)差值與基準(zhǔn)高度的關(guān)系(其中，Diff表示下表面減去上表面的差值，Diff Min表示在整個(gè)反射面范圍內(nèi)各計(jì)算節(jié)點(diǎn)上這個(gè)差值的最小值，Diff Max表示相應(yīng)的最大值，Diff Aver表示這個(gè)差值的平均值，Diff RMS表示這個(gè)差值的均方根值，下同)Fig.4 The relation between the wind pressure coefficient difference from the upper to lower surfaces of the reflector and the reference altitude(The“Diff”denotes the wind pressure coefficient of the lower surface subtracted by the one of the upper surface.The“Diff Min”，“Diff Aver”，and “Diff RMS”denote the minimum，the average，and the rms values of the coefficient differences between the reflector surfaces)

FLUENT軟件提供了多孔介質(zhì)跳躍邊界條件，用于模擬速度或壓降特性均為已知的薄膜，是多孔介質(zhì)模型的一維簡(jiǎn)化，可用于流體通過篩子、過濾器、過濾紙和多孔板的壓降模擬。這種邊界類型需要設(shè)置面滲透性數(shù)值α、介質(zhì)厚度t、壓力變化系數(shù)C23個(gè)參數(shù)。

對(duì)于簡(jiǎn)單各項(xiàng)同性多孔介質(zhì)，流體流過多孔介質(zhì)的壓降Si由粘性損失和慣性損失兩部分組成［9］(實(shí)際應(yīng)用中應(yīng)考慮介質(zhì)厚度t)，除物性參數(shù)μ和ρ外，面滲透性α和慣性阻力因子C2是需要求解的。

另外，物理實(shí)驗(yàn)表明，流體穿過多孔板或絲網(wǎng)的壓降與速度成二次函數(shù)關(guān)系:

通過物理實(shí)驗(yàn)獲得慣性阻力項(xiàng)系數(shù)a1和粘性阻力項(xiàng)系數(shù)a2后，就可以通過對(duì)比獲得面滲透性α和慣性阻力因子C2。

因此，為了以多孔介質(zhì)跳躍邊界條件表示FAST反射面，首先需要獲取描述速度和壓降特性的系數(shù)a1和a2。另外，既然物理實(shí)驗(yàn)可以獲得這樣的壓降關(guān)系，在條件有限的情況下，也可以通過數(shù)值模擬近似獲得a1和a2的值。對(duì)于FAST反射面板的某局部孔來說，周圍的孔允許空氣的流出，所以在建立空氣流過孔板的CFD模型時(shí)，應(yīng)允許空氣自由地從孔板周邊流過。圖5給出了若干不同流速下，空氣流過FAST孔板(透孔率35.4%)的壓降。

根據(jù)速度壓降特性，就可以通過二次曲線擬合得到慣性阻力項(xiàng)系數(shù)a1和粘性阻力項(xiàng)系數(shù)a2，并通過對(duì)比獲得面滲透性α和慣性阻力因子C2。

氣動(dòng)系數(shù)K值可以通過速度壓降特性擬合得出，所得K值可以與Dryden H L和Schubauen G B于1947年的實(shí)驗(yàn)結(jié)果作對(duì)比［10］(圖6)。由圖6可以看出，35.4%透孔率的FAST反射面面板的數(shù)值模擬結(jié)果與實(shí)驗(yàn)結(jié)果誤差小于3%。

圖5 FAST反射面板的速度壓降特性曲線Fig.5 The simulated relation between the wind-pressure drop and the wind speed for the FAST reflector panel under consideration

圖6 FAST反射面板氣動(dòng)系數(shù)值與實(shí)驗(yàn)結(jié)果對(duì)比Fig.6 The comparison of the simulated aerodynamic coefficients of the FAST reflector panel to experimental results from references

由于FAST反射面板的厚度和孔徑相比較小，并且不同來流方向等效透孔率近似相等，所以平面孔板的數(shù)值模擬和實(shí)驗(yàn)結(jié)果用于模擬空氣流過FAST球冠形透孔反射面的流動(dòng)特性時(shí)具有一定的合理性，空氣是否垂直流向面板可以作為次要因素忽略。

2.3 面板透孔率對(duì)反射面風(fēng)壓分布的影響

進(jìn)行FAST反射面附近空氣流場(chǎng)特性數(shù)值模擬時(shí)，究竟是否需要考慮反射面面板的透孔率，需要通過比較才能給出結(jié)論。圖7給出了5點(diǎn)半風(fēng)向下(該風(fēng)向?yàn)橥ㄟ^不同風(fēng)向比較計(jì)算確定的不利風(fēng)向)，不考慮反射面透孔率和35.4%透孔率兩種情形的反射面風(fēng)壓系數(shù)的分布特點(diǎn)，可以看出孔的存在總體效果是均化了反射面風(fēng)壓系數(shù)分布。

FAST所處地域山地地表海拔高度差異很大，不同風(fēng)向下反射面的風(fēng)壓系數(shù)分布應(yīng)當(dāng)有所差異，圖8給出了是否考慮反射面透孔率兩種情形下，反射面風(fēng)壓系數(shù)隨風(fēng)向的變化。

從圖8可以看出，其一，考慮反射面透孔率時(shí)，反射面風(fēng)壓系數(shù)的極值明顯減小;其二，不考慮反射面透孔率時(shí)，不利風(fēng)向約為5點(diǎn)半方向，考慮反射面透孔率時(shí)，不利風(fēng)向約為5點(diǎn)半方向和9點(diǎn)半方向。

圖9給出了是否考慮反射面透孔率兩種情況下，各風(fēng)向下反射面風(fēng)壓系數(shù)沿半徑方向的統(tǒng)計(jì)。

圖7 是否考慮面板透孔率兩種情形下反射面風(fēng)壓系數(shù)分布(a)不考慮反射面透孔率;(b)反射面透孔率35.4%Fig.7 The wind pressure coefficients of the reflector panel for the two cases of perforation rate.(a)null perforation，and(b)35.4%perforation rate

圖8 是否考慮面板透孔率兩種情形下反射面風(fēng)壓系數(shù)隨風(fēng)向的變化(a)不考慮反射面透孔率;(b)反射面透孔率35.4%Fig.8 The wind pressure coefficients of the reflector panel for different cases of perforation rate and different wind directions.(a)null perforation，and(b)35.4%perforation rate

圖9 是否考慮面板透孔率兩種情形下各風(fēng)向反射面壓力系數(shù)沿半徑方向的統(tǒng)計(jì)(a)不考慮反射面透孔率;(b)考慮反射面透孔率35.4%Fig.9 Statistics of the wind pressure coefficients at various radii of the reflector panel for different cases of perforation rate under and different wind directions.(a)null perforation，and(b)35.4%perforation rate

可以看出，與不考慮面板透孔率的情況相比，35.4%透孔率的反射面面板的風(fēng)壓系數(shù)從遠(yuǎn)離球心的壓力為主(負(fù)值)轉(zhuǎn)為指向球心的壓力(正值)為主。

2.4 擋風(fēng)墻問題

一般認(rèn)為在反射面周邊適當(dāng)位置設(shè)置擋風(fēng)墻能對(duì)某些山口的風(fēng)速起到阻擋作用，從而改善反射面風(fēng)壓環(huán)境。實(shí)際擋風(fēng)墻效果如何，需要通過計(jì)算或試驗(yàn)才能確定。

以距離中心275 m位置為例，在高度方向，根據(jù)擋風(fēng)墻上沿與反射面邊沿的相對(duì)位置分為:高出邊沿10 m和5 m，與邊沿平齊(0 m)，低于反射面邊沿5 m、10 m、15 m、20 m，以及低于反射面邊沿40 m(無擋風(fēng)墻)共8種情形，如圖10。另外，還可以考察同樣的擋風(fēng)墻高度，擋風(fēng)墻距反射面中心不同位置處的效果，如圖11。

圖10 不同高度擋風(fēng)墻對(duì)反射面下表面、上表面風(fēng)壓系數(shù)差值的影響(距離中心275 m)Fig.10 Results of the wind pressure coefficients for different heights of the windbreaks.(All for the position of275m from the center of the reflector)

圖11 不同位置擋風(fēng)墻對(duì)反射面下表面、上表面風(fēng)壓系數(shù)差值的影響(擋風(fēng)墻高出反射面邊沿10 m)Fig.11 Results of the wind pressure coefficients for different positions of the windbreaks.(All for a height of windbreak of 10m above the edge of the reflector)

從圖10和圖11可以看出，擋風(fēng)墻高度變化對(duì)反射面風(fēng)壓系數(shù)極值改變的效果大于擋風(fēng)墻徑向位置改變的影響。這說明建設(shè)擋風(fēng)墻時(shí)，擋風(fēng)墻距中心位置的距離選擇要求稍低。

此外，擋風(fēng)墻效果如何，還要看其對(duì)反射面風(fēng)壓系數(shù)分布的影響。圖12給出了反射面透孔率為35.4%時(shí)無擋風(fēng)墻和有擋風(fēng)墻的反射面風(fēng)壓系數(shù)分布特點(diǎn)對(duì)比。除了少數(shù)局部位置有所變化外，總體范圍差異并不明顯。

圖12 考慮反射面透孔率35.4%時(shí)，無擋風(fēng)墻和有擋風(fēng)墻的效果(a)無擋風(fēng)墻;(b)距離275 m處高出邊沿10 m的擋風(fēng)墻Fig.12 Contours of wind pressure coefficients for the panel of 35.4%perforation rate with and without windbreaks(a)without windbreaks，and(b)with a windbreak at a distance of275m from the center and with a height of 10m above the edge of the reflector

3 結(jié)果分析和討論

對(duì)于考慮反射面透孔率的情況，采用多孔介質(zhì)跳躍邊界條件模擬反射面，F(xiàn)LUENT計(jì)算結(jié)果給出的是上下表面之差，風(fēng)壓系數(shù)規(guī)定指向上部(球心)為正值。而當(dāng)不考慮反射面透孔率時(shí)，就需要計(jì)算反射面兩個(gè)側(cè)面風(fēng)壓系數(shù)差值，同樣以指向上部(球心)為風(fēng)壓系數(shù)正值。這樣，反射面某部分承受正風(fēng)壓時(shí)，說明該部分承受的是指向球心的風(fēng)壓，反之，反射面某部分承受負(fù)風(fēng)壓時(shí)，說明該部分承受的是遠(yuǎn)離球心的風(fēng)壓。

對(duì)于CFD計(jì)算模型，邊界條件和物理屬性是建立在簡(jiǎn)化和假設(shè)之上的，這決定了它獲得的總是依賴于模型的離散近似解。首先，計(jì)算依據(jù)的地形數(shù)據(jù)經(jīng)過空間域采樣和插值等必要處理后存在誤差，計(jì)算中采用的幾何模型和實(shí)際對(duì)象的差異會(huì)帶來幾何模型的誤差。其次，對(duì)幾何模型進(jìn)行網(wǎng)格劃分，有限的網(wǎng)格是對(duì)連續(xù)的幾何模型的一種近似，這是離散誤差。再次，計(jì)算中涉及的邊界條件，如來流特性和壁面屬性等，均與實(shí)際情形有差異。最后，數(shù)值計(jì)算過程中，數(shù)據(jù)截?cái)嗪蜕崛胝`差，控制終止條件而導(dǎo)致的迭代誤差等均是CFD數(shù)值模擬中的誤差來源。

如果CFD數(shù)值模擬對(duì)象較為簡(jiǎn)單，則有可能結(jié)合試驗(yàn)或理論結(jié)果進(jìn)行一定的誤差估計(jì)，但是對(duì)于本報(bào)告涉及的FAST風(fēng)環(huán)境模擬，這兩種方法均不可行，試驗(yàn)也僅僅能給出一部分的規(guī)律性結(jié)果，難以給出精確的結(jié)果。

因此，本文給出的模擬計(jì)算的結(jié)果其意義在于分析FAST臨近地域風(fēng)環(huán)境的規(guī)律和特點(diǎn)，為后續(xù)抗風(fēng)設(shè)計(jì)做準(zhǔn)備，體現(xiàn)在以下幾個(gè)方面:

(1)通過分析和計(jì)算確定了810 m為計(jì)算基準(zhǔn)高度。

(2)35.4%透孔率反射面板的速度壓降特性數(shù)值模擬結(jié)果與前人實(shí)驗(yàn)結(jié)果一致性很好。是否考慮反射面透孔率，結(jié)果有較大差異。

(3)不同風(fēng)向下反射面風(fēng)壓系數(shù)差異較大，將不利風(fēng)向5點(diǎn)半方向作為各種分析的基本風(fēng)向。

(4)建設(shè)擋風(fēng)墻時(shí)，距中心位置距離的選擇要求較低。

這些分析和計(jì)算結(jié)果為后續(xù)反射面受風(fēng)荷載的變形計(jì)算以及反射面高精度測(cè)控打下了基礎(chǔ)。

4 結(jié)論

本文針對(duì)FAST反射面及其周邊山地地形，建立了幾何模型、網(wǎng)格模型和CFD分析計(jì)算模型。通過分析和試算確定了入口風(fēng)速剖面的基準(zhǔn)高度為810 m。并通過數(shù)值模擬獲得了35.4%透孔率的FAST反射面板的速度壓降關(guān)系，氣動(dòng)系數(shù)結(jié)果與前人實(shí)驗(yàn)結(jié)果誤差小于3%。模擬計(jì)算了不同風(fēng)向下反射面風(fēng)壓系數(shù)分布特征，得出的不利風(fēng)向?yàn)?點(diǎn)半方向。研究還表明，擋風(fēng)墻高度選擇的效果優(yōu)于位置選擇的效果。

致謝:感謝Richard David先生提供文獻(xiàn)數(shù)據(jù)來源。感謝計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)信息中心超級(jí)計(jì)算中心提供軟硬件計(jì)算資源。

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