基于ARMA模型模拟高架桥的脉动风速时程

强风是高架桥设计与防灾减灾分析的控制性荷载之一.风与高架桥相互作用十分复杂,可以通过风洞试验、现场实测、数值模拟获取可靠的风速(风荷载)数据.尽管如此,时域分析可以使人们更全面地了解高架桥的风振响应特性, 也能更直观地反映高架桥风致振动控制的有效性.因此, 使用线性滤波法即白噪声滤波法(WNFM)中的自回归滑动平均(ARMA)模型模拟高架桥的脉动风速时程.首先, 考虑高架桥脉动风速的时间和空间相关性, 导出自回归(AR)模型阶数与滑动回归(MA)模型阶数不相等时ARMA模型的表达式.接着, 基于Kaimal风速谱,使用ARMA模型来模拟一座实际高架桥的脉动风速时程.最后,通过比较模拟风速功率谱、自相关和互相关函数与目标风速功率谱、自相关和互相关函数的吻合程度, 验证基于ARMA模型模拟高架桥脉动风速时程的可行性.     

非平稳脉动风速的数值模拟

非平稳脉动风速的数值模拟关键因素是要获得时变功率谱.根据进化谱理论,时变功率谱可以通过某个确定性调制函数对现有平稳功率谱(例如kaimal谱、Davenport谱或Simiu谱)进行调制而获得.但是,目前并没有值得认可的功率谱调制函数,以至于非平稳脉动风速的模拟很少被关注.为了获得合理的调制函数来实现非平稳脉动风速的模拟,首先,将某一段时间 [0,T]内的非平稳脉动风速离散成n=T/Δt段足够短时间Δt内可以近似为平稳脉动风速的时间序列;其次,当Δt→0时,通过组合n段平稳脉动风速的功率谱来获得时变功率谱;最后,通过将获得的时变功率谱等于进化谱而推导出相应的调制函数,并运用谐波合成法模拟了三个空间点的非平稳脉动风速.     

输电塔气动力系数和气动导纳风洞试验研究

输电塔结构的非定常抖振力与来流风速之间存在复杂的非线性关系,基于风洞试验得到的某1 000 k V格构式直线输电塔弹性模型的基底力以及参考高度处同步采集的风速时程,采用线性和高斯两种近似假定计算了非定常气动力系数并与试验值进行了比较;提出了包含结构气动阻尼效应在内的总气动导纳的概念,通过基底脉动力谱和来流脉动风速谱的比值对总气动导纳函数进行识别,并用基于频域相干函数对导纳函数的线性部分进行了估计。结果发现,风偏角线性近似所计算静气动力系数的偏差较高斯近似小;由于气动抖振力非定常性质明显,不考虑总气动导纳函数将高估输电塔模型的抖振响应;脉动风力与脉动风速间有较强的非线性关系,用线性导纳函数计算的抖振力谱将低估脉动风分量的影响。     

非高斯脉动风压的模拟研究

对于风荷载数值模拟，大多数研究都是假定风荷载为平稳高斯随机过程。然而，在分离流作用的一些局部重要区域，例如建筑物屋盖边缘、屋面转角等，风荷载表现出强烈的非高斯特性。为了能够有效地模拟非高斯脉动风压，本文提出一种模拟非高斯脉动风压的框架。首先，根据风速与风压间的关系，严格推导出脉动风压功率谱密度函数。然后，基于导出的功率谱密度函数、Johnson转换系统和数字滤波理论，提出一种能够快速而有效的生成指定偏度、峰度和功率谱非高斯脉动风压的方法。最后，通过一个一维单变量非高斯脉动风压的模拟算例对该方法的可行性和正确性进行验证。数值结果表明：模拟生成的单样本非高斯脉动风压的统计参数例如偏度和峰度与目标偏度和峰度非常吻合，而且模拟功率谱与目标功率谱两者也吻合得很好。     

三维空间曲面结构风荷载的数值模拟

本文运用计算流体动力学技术，基于FLUENT 流体动力学数值模拟平台，采用雷诺平均法和大涡模拟技术，对球壳、柱面、悬链面、菱形马鞍面及椭圆双曲抛物面五类结构进行了定常、非定常流场的模拟计算。使用自回归模型的线性滤波法生成了脉动风速的时间序列，该脉动风速的时间序列很好地满足了预先设定的脉动风速谱和空间相关性要求，进而将其代入到实际计算的边界条件当中。将五类空间曲面结构表面风压的模拟计算结果与风洞试验结果定量比较：稳态计算得到的平均风压数据与风洞试验结果吻合理想，非稳态计算得到的脉动风压数据与试验结果差别稍大，其中正高斯曲面模拟精度高于负高斯曲面。     

斜拉索风雨振非平稳风场特性分析

基于小波多尺度分析,提取风雨振实测风速、风向的时变平均值,并建立非平稳风速模型。采用非平稳风速模型,分析了洞庭湖大桥2003年4月初风雨振时实测风速紊流强度、积分尺度、脉动风谱和概率密度等重要风场特性,并将结果与传统的平稳风速模型和基于EMD的非平稳风速模型进行比较,进一步验证采用基于小波分析的非平稳风速模型的合理性。同时,根据Davenport相干系数公式,计算了桥塔和桥面风速记录顺风向脉动风分量的相关性。     

土木工程下击暴流风速数值模拟的研究

雷暴天气下击暴流之类的高强风对诸如输电塔这样的晶格状结构具有很大的破坏性。因此,建立可靠合理的下击暴流风速模型来分析这些结构在这种极端风荷载作用下的动力响应是很有必要的。通过运用一些时频分析工具可以发现:下击暴流风速表现出明显的非平稳性。而且,下击暴流非平稳风速时程可以分解为随时间变化的平均风速即时变平均风速与具有一定相关性的随机脉动成分。基于Holmes平均风速模型和Vicroy风速竖向分布模型,使用Deo-datis提出的均匀调制非平稳随机场的模拟方法,数值模拟了雷暴天气下击暴流行进路线上某一固定位置处的竖向分布风速场。在随机脉动成分的数值模拟过程中,引入了三次样条函数插值技术,以减少Cholesky分解的次数,进一步提高了数值模拟雷暴天气下击暴流风速的效率。     

基于三角函数的脉冲型近场地震动的近似模型

对用于模拟脉冲型地震动的Makris模型的适用性进行了评价,通过对脉冲周期的计算方法的比较分析,发现从该模型推导的由实测最大位移和最大速度计算得到的周期过小估计了近场地震动的脉冲周期。考虑地震动正负速度幅值的不同,提出了一种新的基于三角函数的脉冲型近场地震动的近似模型,该模型用于具有单循环的脉冲型地震动,可模拟位移完全不复位、完全复位和部分复位的地震动。通过比较实测地震动和近似模型的时程曲线和反应谱,证明新模型具有较好的适用性。     

下击暴流空间相关性风场模拟

考虑时间衰减性研究了下击暴流平均风速与空间观测点位置的关系,并给出了空间中四个点的平均风速随时间的分布情况。在确定性-随机性混合模型的基础上,利用Wood竖向风剖面模型和Holmes水平径向风剖面模型模拟出空间七点处的平均风速,并采用AR模型生成具有时间相关性和空间相关性的脉动风速,从而获得下击暴流空间相关性风场。通过脉动风相关函数及功率谱的对比表明,本文方法具有较高的精度。     

湍流边界层激励下加筋平板振声响应特性研究

船舶、汽车和飞机等高速运动时,其外壳受湍流边界层壁面脉动压力激励而产生的内场声辐射成为该类交通工具自噪声的重要成分。基于模态叠加法计算结构振动响应。采用湍流壁面脉动压力功率谱Corcos模型,计算了外侧气流或水流湍流边界层激励下简支平板振动及内场辐射声,计算值与解析解和试验值吻合良好,验证了算法的有效性。采用湍流壁面脉动压力功率谱改进型Corcos模型,研究了外侧水流湍流边界层激励下平板及板格的振声响应特性,结果表明:水流马赫数低,壁面脉动压力迁移波数大于平板结构弯曲波数,壁面脉动压力波数-频率谱的迁移脊对平板的激励作用可以忽略;横向或纵向加筋对板格振动速度自功率谱级基本无影响;减小板格宽度与长度之比,适当增大板格流向长度可使平板振动辐射声功率在2 000 Hz以上明显降低。     

Probabilistic method for wind speed prediction and statistics distribution inference based on SHM data-driven

For wind-sensitive structures, such as long-span bridges, high-rise buildings, transmission towers, etc., the prediction of wind speed and its statistical distribution are vital steps in the design and operation stages. Specifically, wind speed prediction is directly related to the value of wind load in the next occurrence; the statistical distribution of wind speed has regular characteristics, which can represent the random characteristics of wind field. In this paper, a probabilistic prediction model of wind speed based on Bayes’ theorem is proposed and verified based on structural health monitoring (SHM) data. Firstly, the Gaussian process is derived and used as an a priori function in Bayes’ theorem. In addition, the influence of six covariance functions on the prediction performance are discussed, that is, squared exponential (SE), Matern-3/2 (MA-3/2), Matern-5/2 (MA-5/2), automatic relevance determination SE (ARDSE), ARDMA-3/2, and ARDMA-5/2. Secondly, the correlation between the next wind speed and the previous wind speed is discussed by using the moving window method. Finally, the parameters in the three wind speed probability distribution functions (PDF), that is, Gumbel distribution, Weibull distribution, Rayleigh distribution, are updated in real time by increasing the SHM data based on Bayes’ theorem.     

平均时距对良态风气候地区极值风速的影响研究

在风气候分析中,风速观测历史数据一般来源于各气象站的归档测量,但不同气象站采用的平均时距并不统一,这导致基于风速观测历史数据的极值风速预测过程存在平均时距的转换问题。该文对美国11座处于良态风气候地区城市气象站记录的风速连续观测数据,进行处理得到不同时距下平均风速序列,并将改进独立风暴法与极值I型分布模型相结合分析得到各重现期的风速极值,分析了平均时距对极值风速预测结果的影响。研究结果表明:在良态风气候地区,一定重现期的极值风速随平均时距的增大而减小,近似呈指数律衰减;平均时距对极值风速的影响规律基本不受极值风速重现期的影响; 1 min平均时距下的极值风速比10 min平均时距极值风速大19%左右。基于这些结果,拟合给出了良态风气候地区不同平均时距极值风速的转换关系式。     

烟丝风送系统风速稳定节能装置的设计

目前大多数卷烟厂风力送丝系统风速不稳定,增加了烟丝的造碎,能耗大,从而直接影响到卷烟厂的经济效益。文章介绍了一种风速稳定节能装置,能有效的控制烟丝输送风速,降低烟丝的造碎,系统运行稳定。     

Poisson-Gumbel Model for Wind Speed Threshold Estimation of Maximum Wind Speed

Poisson-Gumbel joint distribution model uses maximum wind speed corresponding to multiple typhoons to construct sample sequence. Thresholds are usually used to filter sample sequences to make them more consistent with Poisson distribution. However, few studies have discussed the threshold setting and its impact on Poisson-Gumbel joint distribution model. In this study, a sample sequence based on the data of Qinzhou meteorological station from 2005 to 2018 were constructed. We set 0%, 5%, 10%, 20% and 30% gradient thresholds. Then, we analyzed the influence of threshold change on the calculation results of maximum wind speed in different return periods. The results showed that: (1) When the threshold increases, the maximum wind speed of each return period will decrease gradually. This indicates that the length of the sample series may have a positive effect on the return period wind speed calculation in Gumbel and Poisson-Gumbel methods. Although the augment of the threshold increases the average value of the maximum wind speed of the sample sequence, it shortens the length of the sample sequence, resulting in a lower calculated value of the maximum wind speed. However, this deviation is not large. Taking the common 10% threshold as an example, the maximum wind speed calculation deviation in the 50 a return period is about 1.9%; (2) Theoretically, the threshold is set to make the sample sequence more consistent with Poisson distribution, but this example showed that the effect is worth further discussion. Although the overall trend showed that the increase of the threshold can make χ2 decrease, the correlation coefficient of linear fitting was only 0.182. Taking Qinzhou meteorological station data as an example, the χ2 of 20% threshold was as high as 6.35, meaning that the selected sample sequence was not ideal.

     

GUM法和MCM法评定测量不确定度对比分析

以气象检定领域中的风速测量不确定度评定为例,分别在输入量正态分布以及其他分布两种假设情况下,对比分析了GUM法与MCM法评定风速简化模型测量不确定度结果,并对简化模型所忽略的水汽修正项带来的测量不确定度进行了量化。实例对比表明,MCM法较GUM法适用范围广,特别是针对一些复杂模型,MCM法不需要繁琐的求导过程,不需要舍弃一些小影响量的不确定度计算,使得不确定度评定结果更完整合理,可操作性强。     

分体式空调器室内机送风角度和速度对室内温度场影响的实验研究

实验研究了分体式空调器室-内机送风角度和速度对室内温度场的影响。实验结果表明：相同制冷、制热能力的空调器，在不同的送风角度和速度，将产生差异非常明显的室内温度场，人体感知的制冷、制热效果也会完全不一样；合适的送风角度和速度，不但可以满足用户快速制冷、制热和其它舒适性的要求，还能起到有效利用能源和节能的作用。     

结合智能终端和无线通信模块的便携式风速仪

风速测量在农业种植、工业生产、气象监测和风力资源等领域有着不可估量的重要性。然而,传统的风速测量所使用的设备普遍配件多、体积较大,不便于携带至工作现场进行测量。为此,采用HY16F19X系列单片机,完成了便携式风速仪的设计。该风速仪以HY16F198单片机为核心,通过带有磁轴的叶轮和工字电感的组合来完成风速信号的采集,信号经放大整形后由单片机接收并处理。另外,该风速仪还设计了温度测量单元,可对环境温度进行测量。风速值和温度值通过蓝牙模块发送至智能终端设备(手机或平板电脑等)显示和存储。该系统成本低、低功耗,安装携带方便,可长时间查看和存储测量数据。     

基于乘法定理和AL模型的风速风向联合概率分布的研究及应用

该文开展了风速风向联合概率分布的研究,以大理地区1971年~2017年47年间的风速日值数据资料为例,选用乘法定理和AL模型两种方法建立该地区风速风向联合概率分布。首先,对各风向以及全风向风速数据的最优概率分布进行研究;其次,分别基于谐波函数和混合von Mises分布对风向的概率密度进行拟合,并进一步基于乘法定理和Angular-Linear （AL）模型推导得出了风速风向联合概率密度函数;最后,对大理地区50年重现期内的极值风速进行预测。研究结果表明:Gumbel分布能更好地描述大理地区的风速分布规律,通过AL模型获得的风速风向联合概率密度函数明显优于基于乘法定理得到的联合概率密度函数;而忽略风向的影响将明显高估大理地区的极值风速。     

Turbulence-induced resonance vibrations cause pollen release in wind-pollinated Plantago lanceolata L. (Plantaginaceae)

In wind pollination, the release of pollen from anthers into airflows determines the quantity and timing of pollen available for pollination. Despite the ecological and evolutionary importance of pollen release, wind–stamen interactions are poorly understood, as are the specific forces that deliver pollen grains into airflows. We present empirical evidence that atmospheric turbulence acts directly on stamens in the cosmopolitan, wind-pollinated weed, Plantago lanceolata, causing resonant vibrations that release episodic bursts of pollen grains. In laboratory experiments, we show that stamens have mechanical properties corresponding to theoretically predicted ranges for turbulence-driven resonant vibrations. The mechanical excitation of stamens at their characteristic resonance frequency caused them to resonate, shedding pollen vigorously. The characteristic natural frequency of the stamens increased over time with each shedding episode due to the reduction in anther mass, which increased the mechanical energy required to trigger subsequent episodes. Field observations of a natural population under turbulent wind conditions were consistent with these laboratory results and demonstrated that pollen is released from resonating stamens excited by small eddies whose turnover periods are similar to the characteristic resonance frequency measured in the laboratory. Turbulence-driven vibration of stamens at resonance may be a primary mechanism for pollen shedding in wind-pollinated angiosperms. The capacity to release pollen in wind can be viewed as a primary factor distinguishing animal- from wind-pollinated plants, and selection on traits such as the damping ratio and flexural rigidity may be of consequence in evolutionary transitions between pollination systems.     

基于小波变换和EMD提取非平稳风速中的时变均值

依据Gramer定理,非平稳风速可以分解为确定性的时变平均风速和零均值平稳随机脉动风速的叠加.时变平均风速刻画了风速时程的非平稳特征,其准确提取将使得非平稳风速的分析变得较为容易.提出利用单尺度小波能量的突变确定时变均值分解的准确层次,利用该层次近似系数的离散正交小波逆变换可得到准确的时变均值.分析结果表明,利用该方法提取的时变平均风速比EMD方法更为准确可靠.