基于MATLAB的PEF湍流风场生成器模拟与仿真

1.课题概述

       基于MATLAB的PEF湍流风场生成器模拟与仿真。PEF（Primitive Equations Formulation）湍流风场模型，是大气科学和气象学中用来描述大气流动和气象现象的一种数值模拟方法。它基于原始方程组（Primitive Equations），考虑了地球旋转效应（科里奥利力）、大气的层结稳定性、水平和垂直输送过程以及湍流混合等复杂物理过程。

 

2.系统仿真结果

（完整程序运行后无水印）

 

3.核心程序与模型

版本：MATLAB2022a

%高斯分布尾流模型
% 计算尾流中心到转子中心的距离
delta= reshape(dist(:,Lpos),GNum2,GNum1);    
% 高斯分布指数部分
E    = -delta.^2/(2*Thema);      
% 风速分布调整
A    = Nv'-Cs/(2*Thema*pi)*exp(E);  
Nv   = A(:,:);    

%绘制风场与尾流
Ru    = real(Nv');  % 实部风速数据% 绘制风场与尾流
x     = 1:size(Ru,1);
y     = 1:size(Ru,1);
[X,Y] = meshgrid(x,y);
figure(1)
subplot(2,2,ij);
surf(Y,Ru,X,Ru);
hold on;
shading interp
surf(Y,Ru*0,X,Ru,'edgecolor','None');
hold on;
% if ij == 2
% title('无湍流情况下转子上的风速分布')
% end
set(gca,'Ydir','reverse');
set(gca,'Xdir','reverse');
xlabel('水平距离 (D)');
ylabel('尾流deficit (m/s)');
zlabel('垂直高度 (D)');
grid on;
box on;
title(['风速分布,风速标量=',num2str(Uv)]);

　　

4.系统原理简介

       PEF（Primitive Equations Formulation）湍流风场模型，是大气科学和气象学中用来描述大气流动和气象现象的一种数值模拟方法。它基于原始方程组（Primitive Equations），考虑了地球旋转效应（科里奥利力）、大气的层结稳定性、水平和垂直输送过程以及湍流混合等复杂物理过程。PEF模型特别适用于研究大尺度到中尺度的天气系统，如飓风、台风、温带气旋等，以及长期气候模拟。

 

       PEF模型的核心是原始方程组，主要包括连续方程、动量方程、能量方程和状态方程。这些方程描述了大气中质量、动量和能量的守恒定律，同时考虑了地球的球面几何和旋转效应。对于三维流体动力学，这些方程可以写为：

 

 

 

       由于直接求解上述方程组中的纳维-斯托克斯方程来模拟湍流是计算上不可行的，因此PEF模型通常采用湍流参数化方法来近似描述湍流的作用。主要的湍流参数化方案包括：

 

 

 

       PEF湍流风场模型通过原始方程组结合湍流参数化技术，能够有效地模拟大气中的复杂物理过程。这些模型在天气预报、气候变化研究以及空气质量模拟等领域发挥着重要作用。