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。     

下击暴流非平稳脉动风速数值模拟

针对大气边界层近地风不同、下击暴流平均风速具有明显时变性及脉动风速具有较强非平稳特征,通过Kaimal非均匀调制函数的建立方法,获得Davenport调制函数、Simiu调制函数、Harris调制函数,为有效实现非平稳脉动风速模拟提供首要条件;考虑自回归AR模型时变性,建立非平稳随机过程TAR时变模型,为实现非平稳脉动风速模拟提供有效方法;考虑下击暴流平均风速时变特征,对下击暴流非平稳脉动风速进行模拟。结果表明,模拟的下击暴流非平稳脉动风速相关性随不同位置间距增大而减弱,振幅随时变平均风速增大而增大,与实际风场特性吻合,表明非均匀调制函数有效;功率谱时变特征明显,与目标时变谱时变特征吻合,且样本统计平均功率谱、相关函数与目标均吻合,表明下击暴流非平稳脉动风速模拟方法有效。     

移动下击暴流作用下输电塔的风振响应及荷载评估方法

下击暴流是一种典型的局部强对流天气。由下击暴流风荷载导致的输电杆塔的倒塌事件时有发生,是目前造成国内外内陆地区输电线路风灾破坏的主要原因。基于下击暴流理论模型,采用准定常假设,模拟了移动下击暴流作用下输电塔的风荷载。通过输电塔的空间有限元建模与计算,考察了移动下击暴流平均风、拟静力和瞬态动力三种工况作用下输电塔在频域及时域内风振响应的规律。分析了移动下击暴流时变平均风作用下的最不利风剖面。同时,采用非平稳随机振动的极值分析理论,基于风振惯性力方法,给出了最不利风剖面作用下输电塔脉动风振响应的等效静力风荷载分布,且与有限元动力分析结果进行了对比和验证。研究为下击暴流作用下输电塔设计风荷载的评估提供了有效的探索。     

移动效应的下击暴流风场特性分析

稳态下击暴流风场研究已相对成熟,而实际下击暴流由于风暴移动,其风场是非稳态的。为了研究冲击风射流速度、移动速度对下击暴流风场特性的影响,采用冲击射流装置进行了移动下击暴流风场试验,并使用大涡模拟建立了移动喷口的冲击射流三维缩尺和足尺风场进行数值分析。结果表明:试验和模拟吻合较好,移动速度对峰值放大作用比较明显,射流速度对峰值大小影响不大;移动下击暴流风场具有风向转变和明显不对称的特点,移动速度对风暴前方近壁面水平风速具有显著的增大效应,但对风暴后方风速有一定程度的削减;下击暴流发展到稳定状态时的风剖面随高度增加先增大到最大值,然后迅速减小,最大风速出现在风剖面下端;曲线峰值所在位置和下降段所持续的时间与移动速度和射流速度大致满足一定的比例关系。     

冲击射流与壁面射流风剖面特征比较和影响因素参数化分析

该文分别采用冲击射流模型和壁面射流模型作为下击暴流的风场模型,采用基于雷诺平均法(RANS)的RNG k-ε湍流模型进行数值模拟获得下击暴流的稳态风场。在数值模拟基础上,通过改变模型参数,如冲击射流模型中初始出流直径D_jet、出流高度与出流直径比值(H/D_jet)和出流速度V_jet;壁面射流中初始出流宽度H_jet和出流速度V_jet,分别计算得到多种情况下的下击暴流风剖面,详细分析了这些初始参数对下击暴流风剖面特征的影响。冲击射流与壁面射流风剖面的对比表明二者风速水平分量在径向各位置均吻合良好,都给出了下击暴流水平分量风剖面的主要特征;但二者的风速竖向分量在径向各位置差异较大。总体来说,在结构风工程领域中仅关心风速水平分量时,壁面射流模型也可以作为下击暴流风剖面模拟的模型。通过壁面射流模型把冲击射流的出流区域分离出来,可以在大气边界层风洞中实现大比例尺的下击暴流出流风的模拟。     

基于时变ARMA和EMD-PSO-LSSVM算法的非平稳下击暴流风速预测

根据非平稳过程的进化谱理论,导出基于TARMA模型的非平稳脉动风速模拟式。基于模拟解析式,得到一些空间点非平稳下击暴流风速的模拟时间序列;运用经验模式分解(EMD)和基于粒子群优化(PSO)的最小二乘支持向量机(LSSVM)(简称为PSO-LSSVM)算法,经MATLAB平台编制程序,根据上下空间点风速样本预测出中间高度处的非平稳下击暴流风速时程。通过功率谱、自相关和互相关函数预测值与模拟值的比较及平均误差(AE)、均方根误差(MSE)和相关系数(R)的评价,验证了基于时变ARMA模型和EMD-PSO-LSSVM算法的下击暴流风速模拟与预测的可行性。     

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.     

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。     

移动型下击暴流及其作用下高层建筑风荷载的数值模拟

下击暴流造成了大量的输电线塔、风机等结构的破坏,对其风场及其引起的结构风荷载研究非常迫切。该文基于RANS,利用SST k-ω湍流模型模拟了下击暴流风速特性及其作用下高层建筑的风荷载。对静止型下击暴流及其作用下高层建筑的风荷载进行了三维定常数值模拟,并将模拟结果与风洞试验结果相对比,结果表明:所建立的CFD计算模型能较好地模拟下击暴流及其作用下高层建筑的风荷载。借助于滑移网格技术对移动型下击暴流进行数值模拟,探究了相应的下击暴流风场及其对位于射流口中心移动路径上的高层建筑的风荷载。将该文模拟得到的移动型下击暴流径向风剖面与实测结果以及其他学者模拟结果相比较,吻合度较高,验证了凭借滑移网格技术能逼真地模拟出下击暴流的风场特性及其作用下高层建筑的风荷载。将静止型和移动型下击暴流的风场特性及其对建筑物的风压作用进行详细对比,研究结果表明:射流口的移动增强了运动方向的径向风速,减小了负方向的风速,并增大了建筑物表面的风压系数,这在结构设计中应予以考虑。     

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。     

雷暴冲击风作用下高层建筑风压频域特性

为研究雷暴冲击风作用下高层建筑风压的频域特性,采用冲击射流装置模拟雷暴冲击风,对矩形高层建筑模型进行测压试验。根据试验数据,对模型表面的脉动风压系数功率谱、水平和竖向相关系数、水平及竖向相干函数进行了详细分析,讨论了模型所在径向位置对脉动风压频域特性的影响。结果表明:各径向位置处模型迎风面的脉动风压功率谱与来流脉动风速谱基本一致;侧面与背风面脉动风压的能量主要集中在旋涡脱落频率处;风压相关性随测点间距离的增大而减小;迎风面风压的水平和竖向相干性均较强,脉动风压同步性较好;侧面测点风压水平相干性在折减频率小于0.2时较为显著,竖向相干性在整个频率范围内相对较好;背风面测点风压的水平和竖向相干性在折减频率小于0.1时较好,随着折减频率增大,相干性迅速减弱;迎、背风面中心测点风压在折减频率0.06附近存在较强的水平相干性,相位角相差180°左右,脉动风压呈现相反的相位特征。     

下击暴流作用下高速列车运行安全性能评估

建立了一套利用物理模拟器的下击暴流作用下高速列车运行安全性评估方法。结果表明:受下击暴流风速场与气压场的共同影响,列车距下击暴流中心不同相对位置,所受气动力作用机制明显不同;下击暴流作用下,侧力对轮轨横向力贡献最大,侧滚力矩对轮轨垂向力贡献最大;轮对横向力、脱轨系数、轮重减载率等列车安全运行评价指标随径向距离的增大先增大后减小,相对径向距离r/D_jet=0.83时(D_jet为喷口直径),为列车安全运行的最不利径向位置;列车安全运行指标随风速、车速的增大而增大,列车安全运行的下击暴流临界风速值随车速的增大而急剧减小。     

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。     

下击暴流作用下菱形马鞍面屋盖风压特性

设计制作了菱形马鞍面大跨屋盖结构缩尺模型,通过风洞试验探究了下击暴流作用下菱形马鞍面屋盖表面风压特性.探究了冲击射流装置到模型的径向距离和风向角对屋盖上不同区域平均风压的影响,试验结果表明:最大分区平均风压系数出现在径向距离为1.25Djet(Djet为喷口直径)、风向角为0°的工况;来流方向上屋盖檐口的3个区域平均风...     

流线型闭口箱梁断面风荷载空间相关性试验研究

对典型流线型闭口箱梁断面的风荷载效应进行同步测压风洞试验,比较了来流平均风速、湍流度、风攻角、展向间距等不同参数条件下风荷载在空间分布状况,对风速及其荷载效应的空间相关性进行深入研究,从时、频域两个方面来尝试分析现象及原因,探讨影响因素,证实升力、扭矩的展向相关性远大于风速、阻力的相关性,并发现升力与扭矩的相关性规律相似,风速与阻力相关性规律相似;验证了传统随机抖振动气动力理论所存在的不足     

大跨空间结构风模拟的改进方法及其小波识别

大跨空间结构风速时程模拟需考虑风的时间相关性和空间相关性。利用线性滤波器法并结合快速Foutier变换（FFT）对球面网壳结构进行多点脉动风速时程模拟，较好地解决风速时程的模拟精度、模拟速度和计算稳定性问题。利用小波变换良好的时频局部化性质和可变的聚焦特性，针对模拟的风速时程低频含量较少的特点，利用haar小波对风速时程进行小波分解和识别，修正分解后的低频含量。计算显示，重构修正后的风速时程在时域和频域上均更逼近目标风速时程。     

小波分析在空间随机风场模拟中的应用

采用小波分析的方法对具有空间相关性的随机风场进行模拟.在模拟过程中,首先依据小波的多分辨率特性及小波重构算法生成一系列不相关的一维风速时程样本,其中尝试采用ARMA(自回归滑动平均)法产生每一尺度小波系数并推导了相应的计算公式.然后依据风场的空间相关特性,修正已生成的不具有相关性的随机场样本,最终合成具有指定相关特性的空间风场,并通过算例验证了这种方法的有效性.