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。     

北京郊外近地面风场特性实测研究

基于北京延庆县某一近地风剖面观测点,观测获得了近地面冬季季风剖面实测数据,研究了近地风剖面的平均风速和风向角、湍流度、阵风因子、相干函数、湍流积分尺度和功率谱密度等风场特性参数,并与现行欧洲、美国、日本等相关国家规范进行了对比分析。研究结果表明：实测风速沿高度的变化规律除3.5m高度外,12.5m高度范围内实测结果与各国规范值基本符合;随着高度的增加,湍流度和阵风因子呈逐渐减小的趋势;实测湍流度结果与欧洲、美国、日本等相关规范湍流度取值较为接近,而与GB 50009-2012《建筑结构荷载规范》差异较大;10m高度范围内顺风向、横风向湍流积分尺度随着高度增加而增大,随着平均风速增大而增大,实测湍流积分尺度结果与国外规范值存在一定差异;随着测点间距增大,竖向相关性的衰减系数明显增大,且实测衰减系数结果与Davenport建议的衰减系数有明显差异;10m高度范围内各高度处的实测功率谱密度曲线基本一致,与已有经验谱有一定差异,但与Devenport谱接近。     

典型沿海丘陵地区风场变化特性实测研究

针对沿海丘陵地区的风场变化特性,采用新型激光测风雷达配合手持自动气象站,对奉化黄贤村进行了设点气象数据的采集,并结合当地气象站的测风数据进行统计分析,在此基础上,研究了当地风速,风向随时间及地势变化的特征.结果表明,该地区沿海地带风速变化具有日周期性,风速风向变化规律受海陆风影响较大,丘陵地带风速风向受风速等级,地形及...     

虎门二桥桥位处风场特性观测研究

采用现场实测的方法对虎门二桥桥位处的风场特性进行分析研究。于桥位附近建立一座80m高的测风塔,在三个年度观测期间,获取了平均风场完整观测资料以及影响桥位测风现场的强台风过程的脉动风场观测数据,并综合考虑附近参证测风站的长序列测风资料,推算得到桥位区距海平面不同高度各重现期风速。研究结果为静风荷载计算、颤抖振分析及主桥风洞试验等进一步的抗风安全性研究提供了依据。     

建筑结构大气边界层风场风洞试验模拟

基于风洞系统对建筑结构所处的大气边界层风场进行试验研究,结果表明在风洞中采用尖劈和粗糙源组合的被动控制方式,能够实现建筑结构来流风场的模拟,其平均风速剖面、湍流强度及脉动风功率谱密度模拟结果与规范要求一致性非常好.     

基于实测数据的台风边界层风速剖面特征研究

目前规范中对台风影响区建筑物的抗风设计采用类比非气旋风场的方式来进行,然而大量实测结果表明台风剖面与非气旋风场风剖面存在较大差异,风剖面的影响因素和变化规律目前仍不明确。为清晰地了解台风的剖面特征及其规律,基于多个台风的实测剖面数据,以下垫面类型、台风结构分区和风速大小三类控制指标对数据进行分类,对各个类别的风剖面数据进行对比分析。研究表明：台风剖面中的近地急流层与下垫面类型、台风结构分区和风速均有关,即A、B类场地、较大风速和台风后眼壁区更易出现近地急流层;台风风剖面的梯度风高度与下垫面类型和平均风速存在着一定关系,A、B类场地的梯度风高度由台风中心向外呈增大趋势,C类场地下的梯度风高度从台风中心向外呈先减小后增大趋势。     

赛格大厦振动事件中的大气边界层风场实测与分析

为研究深圳赛格大厦5·18出现的振动问题,根据布置在深圳的两台激光测风雷达捕获到的大气边界层风场实测数据进行分析。结果表明：在赛格大厦振动事件中,深圳上空发生了一次持续约12h的突发风气象事件;建筑顶部300~350m高空范围内最大水平平均风速为9~12m/s;全天水平风向稳定,基本保持在西南偏南风向;在200~350m高度范围,水平方向存在一定风切变;垂直方向风速虽然整体较小,但是大气存在较明显的低空对流运动;整体上,越接近地面,低空对流越强。据此并结合已有的振动观测结果,分析了大厦发生振动的可能原因是特定风况引发建筑顶部桅杆涡激共振,持时较长的平稳风气象条件使桅杆持续不断从脱落漩涡激励中吸收能量,通过大厦钢管混凝土结构传导至建筑主体,进而引发桅杆-塔楼系统的高阶共振响应。     

台风边缘区风场特性及其作用下高耸桅杆结构风效应实测研究

以深圳356 m气象梯度塔记录的风速时程数据为基础,分析了台风“圆规”边缘区风场平均风速、湍流度及风谱特性,并进一步探讨了台风作用下梯度塔的风致响应特征。结果表明：台风边缘区域大风时段风剖面指数均值为0.243,高度40 m以下湍流强度介于GB 50009—2012《建筑结构荷载规范》中C类与D类场地之间,高度320 m处湍流强度则接近C类场地的;von Karman谱与高度320 m处实测风谱吻合较好,但与低空实测谱存在一定差异;台风激励下梯度塔以横风向振动为主,且风振多模态参与特征明显,纤绳振动不可忽略;结构加速度响应幅值对梯度塔的模态频率和阻尼存在一定影响;结构x向和y向前三阶模态频率整体呈现随加速度响应增大而减小的趋势;阻尼比的识别结果较为离散,y向的前三阶和x向的一阶模态阻尼比随结构加速度响应增大而增大,而x向的二阶和三阶模态阻尼比则随响应增大呈减小的趋势。     

开阔地貌台风风场现场实测与风洞试验应用研究

基于100m高测风塔上风速仪的现场实测数据,获得了开阔地貌台风风场的平均风速剖面与湍流度剖面模型。在大气边界层风洞中准确模拟了台风风场和《建筑结构荷载规范》(GB 50009—2001)规定的B类风场,并通过一个大跨刚性模型测压试验,详细分析与对比了两类风场条件下大跨屋面风荷载分布规律特征。研究结果表明:在开阔场地条件下,台风近地边界层平均风速沿高度分布符合对数律,亦满足指数律,风剖面幂指数介于规范规定的A类风场与B类风场之间,平均湍流度比B类风场规定值大1倍;台风风场作用下,开阔地貌大跨结构屋面风荷载受湍流度的影响远高于受平均风速剖面的影响,体型系数随湍流度的增大而增大,屋面风荷载亦随之增大。     

近地台风风场特性及低矮房屋风荷载现场实测研究

通过研制的可移动平坡屋面实验房风压及台风风场现场实测系统,研究近地台风风场特性和低矮房屋表面风荷载分布规律。基于实验房获取到的10余次近地台风风速和风压实测数据,对近地台风风场湍流特征参数如湍流强度、阵风因子、湍流积分尺度及脉动风速功率谱等,按来流不同方位地貌状况进行分类研究;同时分析了斜向强风最不利工况下,屋面角部区域风压分布特征。分析结果表明: A、B、C类地貌条件下,台风顺风向湍流强度均值分别为0.13, 0.21, 0.32;阵风因子同湍流强度正相关,湍流积分尺度随湍流强度增加而减少;与季风相比,台风眼壁区域的顺风向脉动风速功率谱密度值略大于季风的实测值,而横风向脉动风速功率谱密度值显著大于季风的实测值;在低频和惯性子区范围,台风眼壁区域的顺风向脉动风速von Karman和Harris谱拟合值与实测值吻合较好;在斜向风作用下迎风屋檐角部边缘测点区域具有较高峰值负压和脉动风压,峰值负压系数达-13.5。     

OpenFOAM模拟风洞边界层风场

使用开源CFD软件OpenFOAM进行了风洞边界层风场的模拟,通过模拟一方面验证了采用开源CFD软件OpenFOAM进行计算风工程模拟的有效性,另一方面也对模拟结果中边界层风场的特性进行了一定的讨论。     

Investigation of the vertically-layered structure and surface roughness parameters of the urban boundary layer

Atmospheric flow is the main factor affecting the wind load of urban buildings. The measured data observed continuously from the 325-m-tall Beijing Meteorological Tower (BMT) during 2013–2017 is employed to investigate the vertically-layered structure and surface roughness parameters of the urban boundary layer. Based on the local similarity theory and analysis results of the atmospheric stability and local friction velocity, it can be determined that the height of 80 m is near the bottom of the inertial sub-layer, the range below this height belongs to the roughness sub-layer, 140 m belongs to the inertial sub-layer, and 200 m and 280 m are in the mixing layer. The local friction velocity at 80 m can be considered a relatively reliable value as the friction velocity. Moreover, seasonal effect on local friction velocity is minimal. According to the fitting result of near-neutral strong wind samples by the log-law, it is concluded that to obtain a more accurate wind speed profile, all layers should be included when picking fitting heights. In addition, surface roughness parameters are affected by the wind direction and speed. The variation according to the wind direction corresponds to the topographical distribution surrounding the BMT, and the higher range of wind speed may be more applicable for estimating surface roughness parameters.     

下击暴流风场的大气边界层风洞模拟研究

使用可调导流板、挡板和粗糙元,在大气边界层风洞内实现了对1∶300和1∶600两种流场比例下击暴流风场的模拟,并与经典的理论剖面进行对比,对模型区域范围内风场的水平和竖向风速分布进行了较为详细的考察,在此基础上研究了一大跨度圆柱形屋盖在所模拟的下击暴流风场的风压系数分布特征,并与GB 50009-2001的B类地貌风场的结果进行比较。结果显示,所模拟的两种比例的下击暴流水平风剖面与理论值吻合较好,模拟出的下击暴流的竖向风剖面在一定高度范围内与水平风剖面有着相似的分布规律,且在模型区域具有较好的稳定性。圆柱形屋盖模型的试验结果表明,该屋盖在下击暴流风场测得的平均风压系数分布和B类地貌风场的结果非常接近,但极值风压系数小于B类地貌风场的试验结果。     

强台风“黑格比”登陆过程中近地风场特性

为准确研究低矮房屋的风载特性,基于建造在强台风"黑格比"登陆地点的低矮房屋原型实测房,对强台风"黑格比"登陆的全过程进行了监测,获取了在强台风登陆过程中近地风场及实测房屋表面风压的实测数据。通过对台风登陆过程的风速及风向、阵风因子、湍流度、湍流积分尺度和风速谱等参数的分析,研究了强台风"黑格比"登陆时的近地风场特性,同时介绍了实测房屋及测压系统。结果表明:强台风"黑格比"的最大瞬时风速达到56.7/s,10m in最大平均风速为40.2m/s;台风登陆前,风速及风向脉动变化很大;台风登陆后,湍流度及阵风因子明显减小;风速变大,阵风因子与湍流度有减小的趋势;实测风速谱与von Karman谱吻合较好。研究结果将增进对强台风近地风场的理解和认识,可为今后改进低矮房屋的抗风设计提供参考。     

北大体育馆屋盖结构风荷载分布特性的试验研究

风荷载是控制大跨度钢屋盖结构设计的主要荷载之一。结合北京大学体育馆屋盖结构的风洞模拟试验,以屋盖上的平均风荷载和脉动风荷载为研究对象,对屋盖上的风荷载分布特性进行了详尽的分析。结果认为:整个屋盖所受风荷载主要以负压为主,屋盖悬挑部分在迎风时产生“上吸下顶”的叠加作用,其他风向为“上吸下吸”的抵消作用;屋盖角部的风荷载一般也很大,在结构设计时应采取必要的构造措施;脉动风荷载对于总的设计风荷载来说不能忽略,准定常理论不适合用来计算大跨度屋盖的风振响应。     

桥位风场特性研究方法探讨

在桥梁设计过程中,特别是初步设计阶段,准确获得大跨径桥梁桥位风场特性参数非常重要。本文以临猗黄河特大桥桥位处风场特性研究为背景,采用数值模拟和风场实测方法对风场特性进行研究。结果发现,风场实测位置处10m、30m、50m、80m高度的平均风速分别为2.7m/s、3.4m/s、3.9m/s、4.4m/s,数值模型对应位置处相同高度的风速计算值分别为2.90m/s、3.24m/s、3.55m/s、3.94m/s,误差分别为7.4%、-4.7%、-9.0%、-10.5%,计算结果满足工程需求。对处于复杂地形特别是峡谷谷口的大跨径桥梁,在初步设计阶段通过数值模拟方法获得桥位处风速数据的方法具有可行性。     

台风风场作用下体育场罩棚风压分布风洞试验研究

通过刚性模型测压风洞试验研究了台风风场高湍流、强变异性等特征对大跨结构风压分布特性的影响。以某体育场罩棚为原型制作1∶300刚性模型,进行了常规B类风场和台风风场作用下的测压对比试验。基于试验数据,从测点风压和总体升力角度对两类风场作用下体育场罩棚结构的风压分布总体特性进行了分析,重点比较了典型测点在典型风向角下的风压分布规律及相互关系。结果表明：两类风场作用下平均风压的分布规律基本类似,但各风向角下台风风场中的屋盖总体升力比B类风场增大8%~25%;台风风场的高湍流特性导致基于极值负风压求得的各风向角下屋盖总体升力比B类风场大27%~46%,各测点的极值风压均明显高于常规B类风场作用下的对应值,比值约为1.13~1.70,因此对于台风多发地区的大型体育场屋盖设计,必须考虑台风风场高湍流所致的脉动风压增大效应。     

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。     

New inflow boundary conditions for modelling the neutral equilibrium atmospheric boundary layer in computational wind engineering

Modelling neutral equilibrium atmospheric boundary layers (ABL) in CFD is an important aspect in computational wind engineering (CWE) applications. In this paper, new inflow boundary conditions are introduced from the viewpoint that these boundary conditions should satisfy the turbulence model employed. The new set of inflow turbulence boundary conditions is an approximate solution to the standard k-ε model transport equations. The capability of these boundary conditions to produce an equilibrium ABL is demonstrated by performing numerical simulations in an empty domain. The new inflow turbulence boundary conditions in this paper support future practical applications in CWE and future research in modelling equilibrium ABLs.