山区地形对大口径高精度射电望远镜台址风场调控影响的数值模拟研究.pdf
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1、 .天 文 研 究 与 技 术 第 卷 第 期 年 月:./.山区地形对大口径高精度射电望远镜台址风场调控影响的数值模拟研究何飞龙 许 谦 王 娜 李 琳 黄释怡(.中国科学院新疆天文台 新疆 乌鲁木齐 .中国科学院射电天文重点实验室 江苏 南京.新疆射电天体物理重点实验室 新疆 乌鲁木齐 .新疆大学物理科学与技术学院 新疆 乌鲁木齐.中国科学院大学 北京 .西华师范大学物理与天文学院 四川 南充)摘要:优化台址风环境对提高大口径、高精度射电望远镜在中高频段的有效观测时长具有重要意义 通过风障调控风场可以有效减小风荷载对望远镜的影响 风障的布局设计除了与风障高度、孔隙率等参量有关外 还要综合考
2、虑台址地形对挡风效率的影响 以奇台射电望远镜()台址为研究对象 开展不同地形对风场调控影响的数值模拟研究 仿真结果表明 无风障时望远镜区的风速大小主要与上下游边界地形的最高海拔有关 布设风障时 若望远镜区域为水平地形 风障遮蔽区降低风速的大小与上游入流风攻角以及下游地形的海拔高度有关 台址实际斜坡地形增加了流场的复杂程度 在进行风障风场仿真时 上游边界要尽量延伸到相对较高山体的外围 不同边界地形的仿真结果表明 望远镜区风速折减效率差值最大达到 该研究可以为望远镜台址风场调控仿真中的地形建模提供可靠的参考关键词:风场调控 射电望远镜台址 风障 地形 数值模拟中图分类号:文献标识码:文章编号:()
3、射电望远镜口径越大、观测频段越高 对指向精度的要求也越高 天线工作于野外山地 指向精度不可避免地受到台址风扰影响 对于大口径、高指向精度射电望远镜而言 风扰影响天线指向精度的问题已不可忽视 天线罩、控制补偿等传统调控手段已无法满足当前大型射电望远镜抗风需求 在不同领域的抗风工程中 风障的应用十分广泛 在物料堆场 常利用防风网进行防风抑尘 大风区的道路桥梁 常通过在路基两侧搭建挡风墙等设施来保障车辆的行驶安全沙漠地区常利用沙障抵挡风沙的侵蚀 风障是一种具有一定开孔率或者完全不透风的障碍物 对风可以产生一定的阻碍作用 从而改变风向并消耗风能 使得障后的风速衰减 利用风障调控风场一定程度上可以改善台
4、址的风环境目前 针对风障调控风场的研究主要集中在风障孔隙率、高度、面形等参量对挡风效率的影响方面 由于布设风障领域的地形通常相对比较平坦 研究中对地形的关注度比较小 而大口径、高精度射电望远镜台址大多位于山谷或盆地内 地形相对复杂 风的流场结构也与其他领域的情况有所不同 文研究了不同山丘地形的风场绕流分布 结果表明高宽比较大的山丘背风面绕流稳定性比较差 易发生流动分离 山丘越高 顶部加速比越大 下游的尾流恢复距离越长 文利用风洞试验和数值模拟方法研究了某山地地形的风场特性 指出山地风速、风向变化剧烈 山脊位置的风速比在 之间 山谷位置的风速比在 之间 文基于缩比模型开展了山地环境的风洞实基金项
5、目:新疆维吾尔自治区自然科学基金()国家自然科学基金()中国科学院青年创新促进会()国家重点研发计划()中国科学院天文台站设备更新及重大仪器设备运行专项资助.收稿日期:修订日期:作者简介:何飞龙 男 博士研究生 主要研究台址风场特性获取及抗风策略.:.通信作者:许 谦 男 正高级工程师 主要研究大型天线机电控一体化.:.期何飞龙等:山区地形对大口径高精度射电望远镜台址风场调控影响的数值模拟研究 验 研究山地背风面的尾流分布特征 研究结果表明 山体下游的流场结构与背风坡面角度有关为研究山地环境中地形对大口径射电望远镜台址风场调控的影响 本文以奇台射电望远镜台址地形为研究对象 利用数值模拟方法开展
6、不同地形对风场调控影响的研究 以天线位置为中心划分核心区域 核心区域的两端分别设置风障 在核心区域的南北方向分别设置 组不同地形的边界 为了比较台址斜坡地形对风场调控的影响 构建台址水平地形对照组 通过开展不同地形工况的风场仿真研究掌握地形对风场调控的影响关系 为风障优化布局提供参考 数值模拟数学模型 湍流控制方程本文采用雷诺平均()数值模拟方法进行仿真 对于野外小区域风场仿真 可以将空气假设为低速、不可压的粘性牛顿流体 风的流动遵循质量守恒和动量守恒定律 控制方程为()()()()()()其中 为空气密度 为时间 为沿 方向的坐标 为 方向的速度 为压力 为流体粘度为 函数 为雷诺应力 为
7、项动量源雷诺方程本身并不封闭 需要引入湍流模型进行求解 研究采用与实际流动物理过程更加符合、求解精度更高的可实现 模型 其湍动能 和耗散率 的输运方程为 ()()其中 为湍动能 的湍流普朗特数 为耗散率 的湍流普朗特数 为由平均速度梯度引起的湍动能产生项 为由浮力引起的湍动能产生项 为可压缩湍流脉动对总耗散率的影响 湍流粘性系数 /模型中的一些常数量由经验值得到 多孔跳跃数学模型本文的风障具有一定的孔隙 可以看作多孔介质 仿真建模可以采用多孔跳跃模型 模型构建原理是在动量方程中增加动量源项 该源项由黏性损失项和惯性损失项两部分组成 方程为 ()其中 为渗透率 为惯性阻力系数 为流体速度 仿真中
8、改变渗透率 对仿真结果的影响极小 该参量可以设置为常数 惯性阻力系数 可以采用经验公式()()计算 其中 为压力损失系数 为风障的孔隙率 为风障的厚度 本文中风障孔隙率设置为 风障厚度设置为 大气边界层边界条件大气边界层内 风速随高度变化的规律可以采用对数律或指数律数学公式描述 计算域入口风速天 文研究与技术 卷采用更适用于工程计算的指数律公式表达:()()台址地貌类型属于 类粗糙度 指数取 为海拔高度 取 取 /计算域入口湍流强度采用日本建筑规范中类地貌的湍流强度经验公式()()取 计算域入口处湍动能 和湍流耗散率 按照()()()()设置 其中 为湍流积分尺度 取 倍的计算域顶高 风场仿真
9、与结果分析 奇台射电望远镜台址计算域模型构建奇台射电望远镜台址位于一处四面环山的矩形盆地内 地理坐标为 海拔约为 台址地形如图 台址园区内的来风主要在南北方向 东西方向来风较少因此 本文主要围绕南北方向的地形对台址风场调控产生的影响开展仿真研究风场调控数值模拟可以采用二维或三维仿真 针对单一变量的研究采用二维仿真优势更为明显 本文采用二维仿真 沿天线所在点的南北方向提取台址地形高程数据 如图 以天线位置为中心 将水平方向 的区域划分为核心区域 以核心区域为中心分别向北向南延伸 向北延伸的端点编号为 向南延伸的端点编号为 将 组边界端点分别进行组合 共产生 组地形模型()以地形模型为基础构建台址
10、风场仿真计算域模型 计算域模型如图 在有风障的工况中 分别在水平方向 和 图 奇台射电望远镜台址地形 的位置设置风障 风障高度设置为 计算域模型顶高设置为 为了保障所有仿真计算域入口风速相同 台址实际地形以外做了水平缓冲和地形缓冲 水平缓冲相对天线位置的高度和长度在所有仿真计算域模型中相同 来风条件设置为南方向来风和北方向来风 台址实际斜坡地形仿真结果各工况仿真结果提取相同位置的风速数据 竖直方向上 提取相对地面 (倍的风障高度)、(倍的风障高度)高度的数据 水平方向上 从 每隔 提取一个数据点 风障的风速折减系数采用 ()计算 其中 为风速折减系数 为无风障工况风速 为有风障工况风速 期何飞
11、龙等:山区地形对大口径高精度射电望远镜台址风场调控影响的数值模拟研究 图 台址地形高程数据 台址实际斜坡地形顺风向的风速折减系数分布如图 由图 可以看出 北方向来风 顺风向风速折减系数从 位置的风障后先增大然后减小 在 位置的风障前再次增大 南方向来风 顺风向风速折减系数从 位置的风障后近似持续增加 上游边界同起点的 组地形工况 风速折减系数曲线变化更为接近 如图()中上游起点为“”的 组数据 由于下游边界不同 曲线之间略有差值 由此说明上游边图 仿真计算域 界地形对风速折减系数的影响大于下游边界地形的影响 天线位置(水平 点)的气流相比于风障位置更加稳定 提取天线位置相对地面 高度处在有风障
12、工况和无风障工况的风速以及各工况的风速折减系数如表 为了精确比较不同上下游边界地形对风场调控的影响 制作地形工况 在有风障工况和无风障工况的顺风向风场流线图 如图 和图 结合图、图 以及表 分析北方向来风边界地形对风场调控的影响 上游边界不同、下游边界相同地形的比较(地形 和)在无风障工况中上游边界内最高点的海拔高度越高 到达天线位置的风速越小 地形上游最高海拔 天线位置的风速为 /地形上游最高海拔 天线位置的风速为 /在有风障工况中上游边界内最高点的海拔高度越高 经风障调控到达天线位置的风速反而越大 地形天线位置的风速为 /地形天线位置的风速为 /结合风场流线图分析认为 无风障工况中 上游山
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