基于正交小波逆变换的空间相关性风场数值模拟

基于多分辨率分析的思想,利用正交小波基小波系数与功率谱密度函数的关系,以Davenport谱作为目标谱,通过逆小波变换,模拟出互不相关的风速时程,并考虑空间相关性,将其转换为具有空间相关性的风场.通过算例分析了所模拟风场各点风速时程的功率谱密度函数和互相关函数,均与目标值符合较好,证明了该方法的可行性和有效性.所模拟的空间相关性风场,可为结构风振时程分析提供荷载输入.     

基于AR模型的风速时程模拟

本文根据自回归(AR)模型,结合AIC准则进行模型阶数选择,运用FORTRAN语言编制了模拟空间点脉动风速时程的计算程序。通过把模拟功率谱与目标功率谱进行比较,模拟结果表明模拟功率谱与目标功率谱谱吻合较好,基于AR模型模拟风速时程是有效可行的。     

两种AR模型模拟空间相关性风场的比较

风场模拟中广泛应用的AR模型主要有标量过程的AR模型和向量过程的AR模型.通过取数学期望的方法,可以得到标量过程AR模型模拟空间相关性风场所采用的参数,但该参数并未考虑时滞的情况.向量过程AR模型建立在联合平稳的假设之上,可以很好地综合考虑各点的空间相关性,且回归系数矩阵包含时滞的影响,可以考虑较长时间范围内各点风速时程的时间相关性,从理论来说,要相对完善一些.本文算例表明,向量过程AR模型所模拟的风场精确度总体上要高于标量过程AR模型所模拟的风场,但也存在所模拟风场各点的自相关函数偏差大和总体运算时间多等缺点.     

几种常用风谱模型的对比研究

正确模拟脉动风场的前提是获得适当的脉动风功率谱的表达式.本文列举了目前风工程中普遍采用的五种风谱模型,从能量分布和风速时程的特点对以上谱模型进行了对比.本文还对在风场模拟中起关键作用的气动导纳函数和相关函数进行了讨论,浅析了两者在风场模拟中对不同风谱的影响.     

虎门大桥的风振响应分析

悬索桥作为一种大跨径柔性结构,对风荷载的作用非常敏感.本文根据虎门大桥的工程实例,利用MATLAB软件编制了虎门大桥的空间相关性风场的模拟程序,模拟风速的功率谱密度函数与目标功率谱均吻合较好,说明本文方法具有较高的精度.将风速转换为风荷载,并施加在虎门大桥的有限元模型上,进行风振响应分析,获得结构的位移和加速度时程曲线,结果表明虎门大桥在风荷载作用下是安全的,为同类结构的抗风设计提供参考.     

三维空间相关风场的计算机模拟及Matlab程序实现

利用线性自回归过滤器的模拟技术对考虑时间和空间相关的风场进行了计算机模拟,介绍了风荷载基本参数的取值方法.基于Matlab软件编制了相应的风速记录模拟程序,对程序的编制过程和一些关键问题进行了说明.通过与目标功率谱密度和相关函数的对比,表明本文所编制的程序是可靠的.     

基于AR模型的空间脉动风速时程模拟方法研究

空间脉动风速时程的模拟是桥梁抖振时域计算的前提。利用基于自回归(AR)模型的线性回归滤波器法,编制了模拟脉动风速的Matlab计算程序,模拟了一座大跨连续刚构桥最大悬臂施工阶段多点的水平和竖向脉动风速,并进行了功率谱和相关性检验,发现模拟效果较好。     

基于台风风谱的电视塔风场数值模拟

针对上海青浦电视塔的结构形式及振动型态的特点,考虑脉动风的竖向相关性以及电视塔结构风速谱随竖向位置变化的特性,本文基于台风基本特性,采用随高度变化的田浦台风风速谱以及不随高度变化的石沅台风风速谱,运用数值模拟方法,仿真得到了与塔高竖向相关的43条脉动风速时程样本。经与采用不随高度变化的Davenport谱的结果相比较,得出一些有意义的结论。为提高计算效率和计算精度,引入了快速傅立叶变换技术。通过比较自功率谱和自相关函数可以看出,模拟值和目标值吻合得很好,从而验证了本文计算的准确性与有效性。     

基于天气预报模式和大涡模拟的台风风场多尺度耦合数值模拟

结合2015年第1509号超强台风“灿鸿”期间在杭州九堡大桥的现场实测数据,基于WRF(weather research and forecasting)和LES(大涡模拟)的台风多尺度耦合数值模拟方法,重现了台风“灿鸿”的中小尺度发展演化过程,并对九堡大桥周边台风风场进行多尺度精细化模拟;以多项式插值的方式解决疏网格向密网格的背景风场要素降尺度耦合问题;最后通过大涡模拟获得了九堡大桥周边地区30min瞬态台风风场数据。模拟得到的瞬态风速结果与实测数据在统计意义上较为吻合,表明WRF-LES耦合系统能实现从气象中尺度到建筑小尺度的多尺度数值模拟,有效地获取一次台风过程中目标区域的瞬态台风风场。NSRFG(narrowband synthesis random flow generator)方法生成的入口脉动风速适用于局部台风风场的LES计算,模拟所得风速功率谱与实测结果在低频段基本一致。     

温州地区近地强风特性实测研究

为研究我国沿海地区的近地强风特性,基于设置在温州大学的风场观测点(离地约30m高),对台风“海鸥”影响温州时的风场状况进行了监测,获取了台风期间近地风场的实测数据。通过对台风影响过程的风速和风向、湍流度、阵风因子、湍流积分尺度、脉动风速功率谱密度函数和空间相干性等参数的分析,研究了台风“海鸥”影响温州时的近地风场特性。结果表明：台风“海鸥”的湍流度和阵风因子较大,顺风向和横风向湍流度接近;顺风向与横风向湍流积分尺度的均值分别为70.4m和66.6m;实测风速谱与von Karman谱基本符合;实测两点的脉动风速空间相干系数在零频率处与Shiotami经验公式计算结果一致。     

大跨度桥梁风荷载模拟及程序编制

提出了一种有效而实用的风荷载模拟方法.利用工程实际中普遍采用的风速谱,采用多维自回归模型AR,并应用BIC法则确定多维自回归模型的阶数,使模型与功率谱的拟合更具相合性.用VB语言模拟了一座跨度为1000m的悬索桥的主梁随机风场,验证了该方法的有效性.     

湍流尺度内风场的水平向空间相关性研究

基于2616h的风场实测脉动风速数据,研究了风场的水平向风速空间相关函数,提出了湍流尺度内的相关函数模型。结果表明：空间相关性的强弱与风向角、空间间距和平均风速密切相关。对不同风向角、空间间距和平均风速的空间相关函数曲线进行最小二乘法非线性拟合,确定了各曲线的衰减指数,纵向衰减指数与纵向空间间距和平均风速之比的1/2次方成正比,横向衰减指数与横向空间间距平方和平均风速之比成正比。在此基础上,建立了纵向、横向和混合向空间相关函数模型,并与现有的模型进行了对比。在湍流尺度内,Davenport模型计算值明显高估于实际风场的水平空间相关函数值,Schlez模型和Irwin模型计算值均大于实际风场的横向空间相关函数值,而文中提出的模型计算值与实际风场的水平空间相关函数值吻合较好,能有效预测脉动风速的水平空间相关性。     

结合台风全路径模拟的宁波地区台风极值风速估计

运用台风全路径模拟技术和极值理论统计方法对宁波地区台风极值风速进行精确估计.首先,基于CMA-STI热带气旋最佳路径数据集并采用Vickery经验回归模型进行了西北太平洋海域台风全路径模拟,生成了600年台风路径及强度数据,采用Yan Meng风场模型确定了影响宁波地区的台风风速序列.然后,使用weibull分布函数描述了台风各风向下的极值风速边缘分布,并利用t-Copula函数构造各风向极值风速的联合分布模型,得到了台风考虑风向相关性的多风向极值风速估计值.最后,与台风不考虑风向相关性的极值风速以及规范设计风速对比,结果表明,宁波地区台风极值风速估计应考虑风向相关性,不考虑风向相关性的极值风速及规范设计风速都给出了偏风险的极值风速估计值.     

脉动风风速谱及空间相关性研究

总结了脉动风速功率谱及空间相关性系数的各种经验公式的形式,使用场合及存在的问题,讨论了在大跨桥梁及大跨空间结构风场模拟时应注意的空间相关性问题,为脉动风风速谱及空间相关性的进一步研究提供了理论基础。     

基于AR模型随机海浪的模拟研究

基于AR模型的基本原理和算法,利用MATLAB软件编写随机海浪的模拟程序,模拟出以P-M单参数谱及其方向谱为靶谱的随机海浪波高时程样本。计算出前若干阶AR模型的精度和计算时间,比较得出一个精度合理、效率较高的自回归阶数。通过与目标相关函数和功率谱密度的对比,说明用AR模型进行随机海浪的模拟是可靠的。     

基于强台风“黑格比”的台风工程模型场参数在中国南部沿海适用性研究

针对台风风场解析模型中两个关键参数,即最大风速半径Rmax和径向气压分布系数β,进行了既有多种实测统计函数关系的比较。以强台风"黑格比"(Hagupit 0814)为例,结合其路径观测信息和逐时中心气压数据,对比了台风发展、加强、消散过程中不同计算方法获得的风场参数取值变化特征,总结了不同观测地域拟合的风场参数统计关系所反映的台风风场特征差异性。选取两处台风"黑格比"中心对穿观测站点的实测数据,结合基于实测风场参数优化的台风风场解析模型,采用多种Rmax和β实测组合关系,再现了台风黑格比风速过程随时间演变规律,并与实测结果进行综合比对,推荐了适用于我国南部沿海台风风场数值模拟的Rmax和β组合关系。     

台风“苏力”近地风场脉动特性实测研究

利用设置在福建省霞浦县牙城镇的观测点,成功测得了2013年超强台风“苏力”的近地脉动风场数据,在此基础上对台风的湍流强度、阵风因子、湍流积分尺度和功率谱进行了分析。研究结果表明：湍流强度和阵风因子随平均风速的增大而减小,当平均风速大于10 m/s时,数值趋于稳定;台风风场的横风向、竖直向湍流强度分量显著增强,顺风向、横风向、竖直向湍流强度分量比值达到1∶0.8∶0.55;台风风场的湍流积分尺度离散性较大,与平均风速、湍流强度无明显相关性,实测的台风脉动风功率谱与von Karman谱比较接近。     

多层冷弯薄壁型钢房屋脉动风速风压模拟

考虑多层冷弯薄壁型钢结构房屋特性,结合AR模型运用线性滤波法(AR法)模拟考虑空间相关性的多点时程风速,通过模拟谱与目标谱的对比,验证了模拟时程风速的合理性,并在时程风速的基础上通过伯努利方程转化为时程风压。为后续多层冷弯薄壁型钢结构时程风荷载作用下风致响应研究奠定了基础。     

薄壁空心高墩风荷载时程数值模拟研究

利用时间序列中的自回归模型（AR模型）,基于数值分析软件MATLAB,编制了模拟脉动风速时程的程序,最后得出薄壁高墩竖向10个节点的脉动风速时程,对模拟谱与目标谱进行了比较得出低阶的AR模型能够很好的模拟脉动风速时程的结论。     

基于实测数据的香港K11大楼台风风场模拟与风振分析

在香港K11大楼顶层布置了加速度传感器和风速仪,实时监测大楼周边风场及其风致振动。风场数值模拟以顶层实测台风风速数据为基础,结合台风经过时的风速剖面与湍流强度剖面,采用谐波叠加法模拟得到了该高层建筑16个代表楼层处较为真实的台风风场风速时程。分别采用基于数值风场数据的时域法和基于风洞试验数据的频域法对其进行了风振分析。结果表明:与频域法相比,时域法得到的结构风振加速度响应极值、均方根和功率谱密度均与实测结果更为接近。