浙南滨海丘陵地貌台风近地风剖面特性实测研究

基于浙江苍南滨海丘陵地貌测风塔(100 m),实测获得了台风"莫拉克"登陆历程中不同高度风速及风向数据,并进一步研究了不同高度的平均风速和风向角、湍流度、阵风因子、相干系数、湍流积分尺度和功率谱密度等风剖面特性参数。研究表明:在测风塔所置浙南滨海丘陵地貌,台风作用下不同高度处的10 min平均风速和风向角的变化非常同步,指数律能较好的反映风速沿实测高度范围内的分布规律;随着高度的增加,湍流度、阵风因子呈逐渐减小的趋势,湍流积分尺度均值呈逐渐增加的趋势;湍流度与我国规范差异较大,国家规范偏于保守;湍流度与阵风因子之间基本为线性关系,随着湍流度的增大,阵风因子相应增大,且随着高度增加,线性关系的离散度逐渐变小;顺风向湍流积分尺度的中位数剖面与日本规范较为接近;脉动风速的功率谱密度在顺风向与Von Karman谱在拟合较好,尤其是100 m处,而在横风向相差较大;随着风速仪间距增大,相关性迅速变弱,同等间距时,高处要比低处的相关性好。     

温州滨海平坦地貌近地台风特性实测研究

为研究温州滨海平坦地貌近地台风特性,在温州滨海建立了风工程实测基地（塔高10 m）,并利用台风"菲特"和"麦德姆"登陆过程中不同高度处风速及风向实测数据,研究了10 m高度范围内的平均风速和风向角、湍流度、阵风因子、湍流积分尺度和功率谱密度等风特性参数。结果表明:离地10 m高度范围内,实测风速剖面系数明显大于该地貌的规范取值,风速平均值和最大值均明显小于国家规范计算值;不同高度处横风向与顺风向湍流度比值随着高度减小而增大,实测湍流度与我国规范取值差异较大;顺风向,湍流积分尺度与平均风速之间的线性规律较好,随着高度增加湍流积分尺度离散性变大,湍流积分尺度的中位数与平均值差别不大,均小于日本规范;顺风向和横风向脉动风速功率谱有一定的变化,峰值频率和峰值都很接近,实测脉动风速的功率谱与Von Karman谱在数值上有一定的差异,但变化趋势基本一致。     

温州滨海平坦地貌近地台风特性实测研究EI北大核心CSCD

为研究温州滨海平坦地貌近地台风特性,在温州滨海建立了风工程实测基地(塔高10 m),并利用台风"菲特"和"麦德姆"登陆过程中不同高度处风速及风向实测数据,研究了10 m高度范围内的平均风速和风向角、湍流度、阵风因子、湍流积分尺度和功率谱密度等风特性参数。结果表明:离地10 m高度范围内,实测风速剖面系数明显大于该地貌的规范取值,风速平均值和最大值均明显小于国家规范计算值;不同高度处横风向与顺风向湍流度比值随着高度减小而增大,实测湍流度与我国规范取值差异较大;顺风向,湍流积分尺度与平均风速之间的线性规律较好,随着高度增加湍流积分尺度离散性变大,湍流积分尺度的中位数与平均值差别不大,均小于日本规范;顺风向和横风向脉动风速功率谱有一定的变化,峰值频率和峰值都很接近,实测脉动风速的功率谱与Von Karman谱在数值上有一定的差异,但变化趋势基本一致。     

上海环球金融中心大楼顶部风速实测数据分析

对结构高度为492 m的上海环球金融中心大楼顶部所测得的两个时间段的良态风速样本进行了分析,结果表明,湍流度随平均风速增大而减小;阵风系数随平均风速的增大开始有减小趋势,之后基本保持不变,随湍流度增大而增大;脉动风湍流积分尺度比日本建筑荷载的建议值小;两个时间段实测得到的阵风系数与湍流度之间的线性拟合结果较为接近;纵向、横向脉动风功率谱和Von-Karman谱比较,在低频段略有偏差,而在高频段符合较好.     

空旷平坦地面非平稳强风湍流特性研究

根据1128h的实测强风风速样本,对某空旷平坦地貌下10 m高度处的非平稳强风风场湍流特性进行了研究。基于平均风速在基本时距内的平稳性,建立了非平稳强风风场的平稳风速模型和非平稳风速模型,分别计算这两类模型下的各风场湍流特征参数并加以对比。结果表明:55%的实测风速样本具有较强的非平稳性,采用非平稳风速模型更能反映实际风场风速;研究湍流特征参数随平均风速的变化规律,其中湍流强度随风速变化不明显,主要集中在0.16~0.20,大于我国现行荷载规范规定的B类场地10 m高度湍流度值0.14;阵风因子随平均风速减小,湍流积分尺度则随之增大;相对于其他风速谱,Davenport谱更能准确描述强风风场的能量分布。     

台风“Soulik”东南沿海近地风剖面特性研究

基于福建宁德地区500 kV输电杆塔离地15 m, 27 m, 53 m, 67 m,和82 m高度处台风"Soulik"实测数据,研究了平均风速、湍流度和阵风因子在垂直高度范围内的变化规律。结果表明:当风速小于12 m/s时,粗糙度指数随平均风速的增大而减小;当风速超过12 m/s时,粗糙度指数随平均风速变化较小。摩擦速度随平均风速的增大而增大,并且随着高度的增大其数据离散度也不断增大。用公式计算出近地边界层高度随平均风速的变化规律不明显,实测数据平均值为2 007.89 m,远高于我国规范规定B类地貌下大气边界层高度350 m。台风"Soulik"平均风速沿高度地变化规律与指数率和对数率模型吻合较好。通过指数型拟合分别得到了纵向、横向和竖向湍流剖面的表达式,同时对实测阵风因子进行了形如G_i=α(z/10)~β的拟合,并获得了阵风因子的经验表达式。     

上海地区近地台风实测分析

基于10m、20m、30m和40m高度处台风“梅花”影响下的上海浦东地区近地风实测数据,对平均风速与风向、阵风因子随阵风持续时距的变化、脉动风速分量的概率分布及其之间相关性进行了分析。研究结果表明：10m高度处,12m/s以上时段纵向阵风因子随阵风持续时距变化的曲线与Durst曲线较为符合,而12m/s以下时段实测曲线与Krayer-Marshall曲线基本符合;当阵风持续时距小于某一临界值时,10m高度处横向和竖向阵风因子较20m和40m处的结果明显偏大,而大于此临界值后,三者较为接近,横向和竖向对应的临界值分别约为100s和10s;不同时段及高度处各向脉动风速分量均服从高斯分布;纵向与横向脉动风速自相关系数的衰减速率随实测高度的增大而减小,并通过拟合给出了相应的经验表达式;脉动风速分量之间互相关系数随平均风速的变化趋势不明显。     

台风“布拉万”远端风场阵风特性分析

基于安装于西堠门大桥上的风速仪收集到的台风"布拉万"远端风场风速资料,分析了"布拉万"过境时桥址处平均风速、风向和紊流特性的变化,重点探讨了不同计算时距条件下阵风因子的分布概型及其均值、极值的变化规律,研究结果表明:台风"布拉万"远端风场紊流强度和阵风因子随平均风速的增大而减小,高风速下顺风向紊流强度为0.18,大于桥梁抗风规范建议值,且横风向和竖向风速相对脉动强度均比桥梁抗风规范值小;台风"布拉万"远端风场顺风向、横风向和竖向的阵风因子均服从广义极值分布,随着计算时距的增大其分布概型逐渐由极值Ⅲ型转变为极值Ⅱ型,且95%保证率条件下顺风向阵风因子与建筑结构抗风规范取值一致;台风"布拉万"远端风场阵风因子随阵风计算时距的变换规律可以用对数高斯函数加以描述。     

基于润扬大桥南塔顶长期监测数据风场特性分析

通过对润扬大桥健康监测系统获取的长期实测风场数据进行分析,获得了南塔塔顶300d 的平均风速、风向、湍流度、阵风因子、湍流积分尺度、脉动风功率谱等风场特性参数的分布规律以及参数之间相关性的推荐公式。并与跨中风速仪测试数据进行对比分析,得到了平均风速随高度的变化规律以及两点间风场的空间相关性。长期实测结果统计分析表明,润扬大桥悬索桥南塔塔顶的平均风速较小、风向稳定;风场的湍流度比跨中更强,并高出规范建议值近7倍;湍流积分尺度接近正态分布,并与湍流度、平均风速存在一定的相关性;纵向、横向功率谱均与Kaimal 谱相差较大,功率谱密度函数参数与平均风速存在直接相关性;塔顶风场与跨中风场相关性较弱。     

山竹台风的非平稳风特性研究

依托台风山竹侵袭过程中深圳地区356 m高度气象梯度塔获得的实测风速序列,采用离散小波变换(discrete wavelet transform, DWT)和集合经验模态分解(ensemble empirical mode decomposition, EEMD)方法提取风速序列中的时变平均风速,对平均风速剖面以及湍流强度、阵风因子、湍流积分尺度、脉动风速谱等脉动特性进行分析,并与平稳模型方法(stationary model method, SMM)的结果对比。结果表明：台风的实测平均风速剖面受平稳性影响较小,不同方法计算得到大风时段的地貌粗糙度指数均接近规范C类地貌的取值0.22;不同的时变趋势项提取方法计算的脉动风场参量存在差异,考虑非平稳性后,湍流强度、阵风因子、湍流积分尺度计算结果相对SMM偏小,其中湍流积分尺度差异尤其明显;SMM的湍流强度接近规范D类地貌的推荐值;SMM计算的湍流积分尺度和AIJ—2004的建议值接近;SMM和EEMD计算得到的脉动风速谱和Karman谱一致,而由DWT计算的脉动风速谱在低频处偏小。对比台风非平稳性研究方法,EEMD方法较DWT方法合理。     

输电线路导线阵风响应系数研究

采用阵风荷载因子法推导了不同档数、影响线函数下输电线路导线阵风响应系数的计算公式,研究了湍流积分尺度、风速、档距、共振响应分量、分离系数和峰值因子等因素对导线阵风响应系数的影响规律,并将其与现行ASCE规范和中国规范的导线阵风响应系数进行了比较分析。分析结果表明,计算导线跨中位移和输电塔风致响应时,应分别考虑单档和相邻两档导线上的风场不完全相关性。影响线函数采用线性函数或正弦函数时,其差异对导线阵风响应的影响可以忽略。与风速和湍流积分尺度相比,档距对导线阵风响应系数的影响更为显著,档距由100 m增至1000 m时,导线阵风响应系数至少降低了20%。忽略导线共振响应分量影响,导线阵风响应系数会偏小5%以上。峰值因子对导线阵风响应的影响较为显著,峰值因子按照ASCE规范取3.6比按照DL/T 5551—2018规范取2.5计算得到的导线阵风响应系数高8.6%。     

沿海地区近地边界层强/台风的统计特征分析EI北大核心CSCD

基于大量实测数据和气象资料,对热带气旋和沿海地区最大风速的变化规律,以及近地边界层强/台风剖面和不同时距风场特性进行了分析。研究结果表明:西太平洋地区每年形成的热带气旋呈递减趋势,而历年登录我国的热带气旋的变化趋势与之相反;台风对沿海地区的年最大风速影响非常大,因周围环境的变化导致了气象站观测得到的年最大风速呈递减趋势;随着高度的增加,近地各高度的风速和风向角变化非常同步,且湍流度呈现出逐渐减小趋势;随着平均时距减小,台风平均风速的最大值大幅增加,顺风向湍流度均值减小得比横风向快,短时距风参数能更好的反映出风场的脉动性。     

近海山地台风风场特性实测研究

基于2017年台风“海棠”和台风“纳沙”登陆近海山地时的实测数据,选取10 min平均风速≥10 m/s的强风样本,研究了平均风速、湍流度、阵风因子和地面粗糙度指数的变化规律,并分析了不同风速区间的风剖面和湍流剖面的变化规律。结果表明:台风登陆过程中风速时程呈双“M”型四峰分布,平均风向发生了260°的转变,10 m高度处湍流强度在0.15~0.34波动,并随地貌粗度指数增大有增大的趋势。实测得到风剖面和湍流剖面与规范GB 50009?2012进行了对比,不同高度处的平均风速变化符合指数率的变化趋势;两个测风塔实测得到台风风场的风剖面指数α均值为0.15和0.14大于季风风场的风剖面指数,接近GB 50009?2012中B类地貌规定值,但台风风场中的湍流强度剖面参数要大于GB 50009?2012中B类地貌规定参数值,该文结果可为近海山区工程结构抗台风设计提供参考。     

西部河谷地区三水河桥址风场特性试验研究

以三水河特大桥为工程背景,通过风洞试验研究了西部河谷地区桥址处风场特性,分析了西部河谷地区不同风向来流时桥址处风剖面、湍流强度、积分尺度及脉动风功率谱变化情况。通过梯度风速相似关系,结合规范梯度风速,提出由风洞试验实测桥址处风剖面指数及梯度风高度反算桥梁设计基准风速的方法。试验结果表明:当来流与河谷走向一致时风剖面接近幂指数分布,其他风向角风剖面不能用统一的幂指数分布表示,河谷风平均风剖面指数较其他风向小,拟合得到指数为0.142;河谷内的湍流度比较大,特别是在接近边坡的位置,桥面高度跨中的湍流度大于15%;由于桥梁结构位于河谷内,平均风速在来流风速的基础上被衰减而非放大,桥址处无明显的峡谷风效应;湍流积分尺度与脉动风功率谱的变化需要考虑周围山地的影响。     

基于六旋翼无人机搭载风速仪的边界层风剖面实测研究

对基于六旋翼无人机搭载风速仪进行边界层风场测量的可行性进行了研究,分析了实测得到的平均风速和风向角、湍流度、阵风因子、湍流积分尺度与功率谱密度等风场特性参数,并与测风塔上固定安装的风速仪测量结果进行比较。结果表明:基于无人机方法所测得的风速风向值经过修正后与测风塔实测值基本一致,两者误差在±3%以内;基于无人机方法所测风速拟合的风剖面精度较高,且与规范规定的B类地貌风剖面接近,其拟合计算的平均地面粗糙度为0.148;基于无人机方法所测得的各项脉动风特性参数与测风塔的实测值较为接近,两者误差控制在±5%以内;湍流度与阵风因子存在指数相关性;基于无人机方法所测得的脉动风速功率谱与测风塔所测脉动风速功率谱基本一致,且与Karman谱有较好的吻合。     

基于台风“海葵”实测的近地脉动风速功率谱及相关性研究

基于上海浦东机场实测基地测风塔上10 m及30 m高度处台风"海葵"的现场实测数据,对台风"海葵"过境上海时的脉动风速功率谱和各向脉动风速分量之间的相关性进行了详细研究。研究表明:台风"海葵"脉动风速功率谱总体与Von Karman谱吻合良好,Von Karman谱能够较为准确的描述上海浦东地区的湍动能分布特性;风速谱值对平均风速的变化较敏感,高风速时段在惯性子区内具有更高的湍动能。实测互谱在低频和高频段均与Kaimal修正谱符合较好;互相关系数ρ_(uw)在各高度处随平均风速的变化基本保持稳定,而互相关系数ρ_(uv)和ρ_(vw)在各高度处随平均风速的变化离散性相对较大;随着观测高度的增加,互相关系数ρ_(uw)的负相关性逐渐减小。     

高海拔深切峡谷桥址风场特性实测研究

结合某深切峡谷大跨度桥梁桥址区测风塔长期的风观测数据,统计分析桥址区风场的平均风特性,以风速超过8 m/s为强风标准,分析强风样本的脉动风特性。研究结果表明：深切峡谷地形对风场特征存在显著影响,风特性参数呈各向异性分布,最大风速与极大风速对应风向集中分布在峡谷轴线附近,各观测高度主风向均为SSE方向,强风攻角以负为主,风速、风攻角与风向具有显著相关性;风速垂直分布规律不再准确符合指数律模型,风剖面指数随风速增大而减小,与风向具有显著相关性,拟合风剖面指数的均值为0.09;顺风向、横风向与竖向紊流强度分别为0.17、0.12、0.27,竖向紊流强度偏高,采用线性与非线性模型均能较好地拟合紊流强度与阵风因子的关系;紊流积分尺度高于规范推荐值,随风速的增大而增大;实测功率谱与理论谱吻合程度欠佳,竖向功率谱偏高,脉动风速功率谱在惯性子区不满足各向同性假设。     

基于2013年马甸桥北气象塔实测数据的北京城区地貌风速谱分析

基于实测的风场特性研究是结构抗风中的基础性工作之一。脉动风速谱作为风场特性的主要参数之一,描述了风的能量在频率上的分布情况。Van der Hoven最先测得的包括宏观气象尺度峰值和微观气象尺度峰值的风速谱在风工程领域具有奠基性贡献。由于早期采集设备精确性不高、计算分析水平不足,以及近年来城市化进程加快,城市地貌下全频率范围的风速谱有待进一步考查。该文采用2013年北京气象塔47 m、80 m和140 m高度处超声风速仪测得的风速数据,计算分析了反映宏观和微观气象尺度变化的全频率风速谱,并和Van der Hoven风速谱以及其他学者的实测谱进行了对比。结果表明:反映宏观气象尺度变化的低频风速谱除了在周期约为4天处存在峰值外,在周期约为1天（24小时）处的峰值非常明显,而在12小时周期处的峰值相对微弱;与宏观气象尺度峰值相比,高频微观气象尺度峰值较为微弱,且随高度增加,宏观气象尺度峰值逐渐增加,而微观气象尺度峰值相差不多。考虑到结构抗风设计时关注的是强风条件下的高频段风速谱,该文挑选平均风速大于8 m/s的风速样本,对其微观气象尺度风速谱进行了讨论,并和经典风速谱进行了对比,发现不同高度处的实测高频风速谱曲线相互吻合,且实测谱与Kaimal谱接近。     

横风作用下移动点湍流脉动特性风洞试验研究

为了研究移动点历经的湍流脉动风特性,设计了一套能够实现测量探针以均匀速度在流场中移动的试验系统,测量了不同风速-车速比(风速与移动点速度的比值)下的湍流脉动特性,提出了半椭圆湍流积分尺度模型,分析了与静止点观测结果相比的湍流脉动风速谱及能谱的变化。研究结果表明,移动点测得的湍流脉动特性与静止点测量结果存在明显的不同。对于某一固定来流风速,随着移动点速度的增加,纵向湍流积分尺度减小,相比Balzer及Cooper积分尺度模型,半椭圆模型的描述更加准确。基于半椭圆模型的脉动速度谱具有较高的精度,移动点历经的湍流谱能量因运动而重新分布,并表现出明显的Doppler效应。随着观测点移动速度的增加,脉动速度谱整体向更高的频率偏移,高频区域中的谱值增大,低频区域中的谱值减小,且能量向更高的波数区传递。     

横风作用下移动点湍流脉动特性风洞试验研究EI北大核心CSCD

为了研究移动点历经的湍流脉动风特性,设计了一套能够实现测量探针以均匀速度在流场中移动的试验系统,测量了不同风速-车速比(风速与移动点速度的比值)下的湍流脉动特性,提出了半椭圆湍流积分尺度模型,分析了与静止点观测结果相比的湍流脉动风速谱及能谱的变化。研究结果表明,移动点测得的湍流脉动特性与静止点测量结果存在明显的不同。对于某一固定来流风速,随着移动点速度的增加,纵向湍流积分尺度减小,相比Balzer及Cooper积分尺度模型,半椭圆模型的描述更加准确。基于半椭圆模型的脉动速度谱具有较高的精度,移动点历经的湍流谱能量因运动而重新分布,并表现出明显的Doppler效应。随着观测点移动速度的增加,脉动速度谱整体向更高的频率偏移,高频区域中的谱值增大,低频区域中的谱值减小,且能量向更高的波数区传递。