风洞试验与数值模拟

风洞试验与数值模拟

――北京大学在数值模拟方面的技术进展

一．科学研究的方法：

人类在认识自然、认识科学的过程中，曾经创造出了两种方法，即：理论研究和实验研究。理论研究得出的结论，要经过严格的论证，这是十分必要的，但在工程实践中却难以应用。实验研究，结论清晰、直观，也就是俗话说的“看得见，摸的着”，但它的局限性太大，因而应用范围有限。

上世纪四十年代，电子计算机的横空出世，改变了人类的生活和思想。随着近年来计算机软硬件技术的突飞猛进，以前大量无法解决的工程实际问题，已经可以用新的计算方法来加以解决了。因此，第三种科学研究的方法发展出来了，那就是计算科学的方法（或称为数值模拟、数值计算）。它不仅具有理论研究的严谨性，又具有实验研究的直观性，更加具备极其广泛的应用范围。如今，计算科学在科学研究中所占的比重越来越大，并必将成为今后科学技术发展的主流。

二．什么是“风洞试验”：

风洞，从外观上看酷似一座洞，它是通过产生出可人工控制的气流，对试验模型周围的气体的流动进行模拟，并可量度气

流对物体的作用，以及观察流动现象的一种管道状试验设备。

而风洞试验，是实验研究工程问题的一种方法。它是依据运动的相对性原理，将试验原型同比缩小的模型固定在风洞中，人为制造气流流过，获取各测试点的试验数据，并以此寻找出工程问题的解决方案。

风洞试验主要针对相似模型进行测力试验、测压试验和布局选型试验。

三．风洞试验在“挡风抑尘墙”工程实践中的局限性：

“挡风抑尘墙”的作用就是降低露天堆场上方的风速，以达到抑尘效果。这是属于流体力学范畴的一类问题。流体力学是物理学的一个分支，是主要研究流体（包括气体和液体）与其中的物体相互作用的一门科学。

研究流体力学的方法同样有理论研究和实验研究。

在理论研究中，以理论流体力学的基本控制方程组和基本定律为出发点，采用适当的前提假设(如空气的不可压缩性假定)，经过严格的数学推导，求解出方程中的未知量(如压力，速度等)。

鉴于理论流体动力学的基本控制方程组及其边界条件的强烈的非线性特性，只能在几种简单的情况下得到方程组的解析解，在复杂的情况下(如三维流场，复杂外形等)就无法获得解析解，这就决定了理论研究方法在“挡风抑尘墙”研究中具有很多的局限性，工程实践中很难采用这种方法。

同理论研究一样，实验研究方法，即风洞试验，也存在着很多的局限性。

首先,由于风洞的试验段不可能很大，导致挡风抑尘墙模型的尺寸相对实际尺寸很小，根据流体力学的相似律理论可知，风洞试验很难与实际情况具有相同的无量纲参数，这就意味着风洞实验很难模拟真实的空气流场。

比如：在试验中，堆料场与挡风抑尘墙的模型都要同比缩小，一个200米长的堆料场在模型中要缩小为2米，缩小100倍；而挡风抑尘墙厚度只有2－3毫米，同样缩小100倍后，只有0.02－0.03毫米，如此小的尺度，在试验中是无法实现的，如用原尺度代替，则试验误差之大可想而知。

又如：对于孔隙率的研究也有局限性，几十毫米的开孔，缩小100倍后，直径只有零点几毫米，在风洞试验中已经相当于没有开孔了。

其次，风洞试验很难获得一些极为重要的局部流场的信息，而且为获得这些流场信息而安装的诸如压力传感器等设备将干扰真实的流场，导致测量的误差。

第三，风洞试验周期长，价格高。

四．数值模拟和北京大学的优势：

计算流体力学和数值模拟技术是上世纪五十年代出现的一个以理论流体力学和计算数学为基础，以大型计算机为工具，来

模拟仿真物理过程的研究方法。随着理论和技术的进步，计算研究方法已经和理论方法、试验方法并列，成为第三种基本的科学研究方法。近十年来计算机技术飞速发展，数值模拟技术也逐步开始实用化，在工业和工程设计中起到举足轻重的作用。数值模拟技术发展的最重要的一个分支就是计算流体力学，它已经成为科学研究和工程实践中的一个不可或缺的工具。计算可以在很大程度上避免理论和实验的困难与缺陷。与理论研究相比，计算可以更多的面向非线性和有复杂几何外形的问题，由于采用离散的数值方法和计算模拟实验方法，可以不受数学解析能力的限制，具有更大的适应性和求解能力；与实验研究相比，数值模拟更加经济、迅速，具有更大的自由度和灵活性，可以突破实验上物质条件的限制，获得更多、更细致的结果。

北京大学自1959年开始研究数值模拟技术，在这个领域居于国内领先水平，将其应用于挡风抑尘墙技术的研究，拥有极大优势，这种优势主要体现在以下三个方面：

1.不受地形地貌、原型尺度的影响，空间范围几乎不受限制。

2.可以任意设定风向、风速、高度，较真实的模拟流场，包括

所有矢量场（如速度场）和所有标量场（如温度场、密度场和压力场等），且自动满足所有相似性参数和相似律。

3．计算结果可以直接提供诸如：孔隙率、挡风抑尘墙高度、扩散面积、浓度等等所有工程人员、环保专家所关心的问题，结论直截了当、清晰明确。

在电力行业，北京大学所掌握的数值模拟技术在火电厂直接空冷系统设计、间接空冷设计、水冷塔改造等项目上的应用，就是这种优越性的一个很好的证明。