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。     

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。     

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。     

基于核极限学习机的多变量非平稳脉动风速预测

运用快速集合经验模态分解(FEEMD)技术将非平稳下击暴流风速分解为一系列的固有模态分量。随后,建立核极限学习机(KELM)非平稳风速预测模型(FEEMD-KELM),分别对分解后的非平稳脉动风速训练集和测试集实施预测。为比较,同时考虑了FEEMD-ELM的预测结果。通过比较这两种预测算法的结果,在非平稳下击暴流风速预测的稳定性和精度方面,发现FEEMD-KELM优于FEEMD-ELM。     

非稳态雷暴冲击风场的瞬态数值模拟

冲击射流是雷暴冲击风场研究中最常用的模拟方法。大部分物理试验和数值模拟都是假定射流速度入口风速不随时间变化,而实际雷暴冲击风的下沉气流速度都是随时间连续变化的。在雷暴冲击风的全生命周期内一般会经历逐渐增大到最大值后再逐渐减小的过程。对于重要的工程结构抗风设计而言,得到雷暴冲击风全生命周期的风速时程信息十分有必要。基于冲击射流三维足尺模型模拟雷暴冲击风风场,在入口处引入一个更符合雷暴冲击风实际演化过程的衰减函数,采用大涡模拟数值分析获得了雷暴冲击风的非稳态风场,并得到其随时间衰减的瞬态演化过程。结果表明,该模拟方法可以较好地再现雷暴冲击风场的非稳态过程,为进一步讨论非稳态雷暴冲击风场中的结构风荷载特性奠定了基础。     

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.     

下击暴流作用下建筑物表面风压分布模拟

为研究下击暴流作用下建筑物表面的风压分布,首先分析下击暴流风场.基于壁面射流理论,建立下击暴流风场的二维模型.应用计算流体动力学(Computational Fluid Dynamics,CFD)软件模拟得到下击暴流风场径向速度的竖向剖面分布.将计算结果与三种经验模型和一种实测数据的风速剖面分布进行对比,证实上述模拟方...     

基于物理模拟的不同射流倾角下击暴流风场特征

利用物理模拟器生成下击暴流风场，研究了射流倾角对风速、气压等下击暴流风场特性的影响。结果表明：下击暴流风场同时具有水平风和竖向风，当存在射流倾角时，下击暴流风场对称性消失，下击暴流背侧竖向风速峰值大于前侧，且背侧竖向风速随倾角的增加而增大，射流倾角达到20°时，背侧竖向风速峰值比无倾角时增加67%;前侧水平风速峰值大于背侧，且前侧水平风速随倾角的增加而增加，射流倾角达到20°时，前侧水平风速最大比无倾角时增加50%,背侧水平风速则快速减小。随射流倾角的增加，出流下方区域正压值增加，其余位置受倾角的影响不大。     

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。     

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。     

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。     

A stochastic model of severe thunderstorms for transmission line design

The importance of wind loading in the design of transmission line structures has been widely recognised. Due to the inherent variabilities of natural phenomena, the modelling of wind loads is a demanding task. Despite the fact that quite extensive research has been carried out in Australia over last 30 years, the wind loads that are generated by high intensive, localised, small-scale wind storms, such as severe thunderstorms, i.e. downbursts are poorly defined. The intention of the present paper is to propose a stochastic model that could realistically and accurately simulate wind loads that are generated by thunderstorm downbursts for transmission line design. The proposed model is then calibrated using existing meteorological records and compared with the results of other similar studies on severe winds. The major advantage of the proposed model for downburst winds is that the size effect of downbursts has been taken into account.     

稳态冲击风作用下拱形屋面风压分布试验研究

为研究雷暴冲击风对拱形屋面的作用,基于相似准则进行了拱形屋面模型制作和雷暴风风场物理模拟,并完成了相应的冲击风风洞试验。通过改变矢跨比、高跨比及跨度,进行屋面风压的参数敏感性研究。通过改变屋面中心位置,研究竖向风场的作用。研究表明:屋面位于冲击风极值水平风速附近时,垂直于屋脊方向风压分布与矢跨比密切相关,屋面越靠近冲击风中心则升力越小;当屋面位于冲击风中心时,整个屋面均出现较大的正风压。     

Non-stationary dynamic structural response to thunderstorm outflows

Wind loads on structures are commonly described as stationary phenomena that occur in neutral atmospheric conditions at the synoptic scale with velocity profiles in equilibrium with the atmospheric boundary layer. Nevertheless, structural systems can be also affected by thunderstorm outflows, which are non-stationary local phenomena at the mesoscale that occur in convective conditions with totally different velocity profiles with respect to synoptic winds. This paper presents a non-stationary probabilistic model that describes the wind velocity fluctuations experienced during a thunderstorm in order to estimate its effects on the dynamic structural response. The model is first calibrated on a typical thunderstorm recorded in the north-west italian coast and it is used to generate virtual time histories in a Monte Carlo simulation approach. The potential influence of the wind load non-stationary features on the peak structural response is investigated using single degree of freedom parametric analysis and statistical estimation.     

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。     

基于北京市区实测数据的雷暴风风场时空统计特性研究

雷暴风引发的结构破坏、财产损失和人员伤害屡有发生,其风场特性的认识和研究是结构抗雷暴风设计的基础。该文基于北京市区325 m高气象塔实测数据识别的70个雷暴风事件,采用经典雷暴风模型对其平均风及脉动风时空特性等进行了统计分析,研究结果表明：雷暴风频发于夏季,其峰值风速主要出现在北京时间的下午及傍晚时分且较易发生于西北方向;在峰值风速发生时段,平均风速剖面均值呈现轻微的鼻形特征;雷暴风湍流强度和阵风因子剖面与大尺度稳态强风特性存在较大差异,且雷暴风统计结果均大于大尺度稳态强风的对应值;北京市结构抗雷暴风设计中可考虑应用Von Karman谱计算雷暴风荷载。该研究结果可为雷暴风风场统一模型的建立和结构抗雷暴风设计提供参考。     

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。     

基于多元EMD-AM/FM分解的多点非平稳雷暴风速模拟

雷暴风对建筑物和输电线塔等结构具有很大的破坏性。为了准确估算结构的动力响应,获得可靠的风速样本至关重要。该文结合多元经验模态分解（MEMD）,调频函数/调幅函数（AM/FM）分解和本征正交分解（POD）建立了基于时频分析的非平稳多点风速的模拟方法。第一,采用MEMD分解多点风速,产生固有模态函数;第二,采用AM/FM分解计算各点的固有模态函数的瞬时频率和瞬时幅值;第三,利用POD对瞬时频率解耦;第四,将瞬时幅值和解耦后的瞬时频率用于重构多点非平稳风速。实测多点雷暴风的模拟结果表明: MEMD-AM/FM分解-POD方法能满意地模拟多点非平稳雷暴风速。