基于短期观测记录的重现期风速预测

在偏僻地区或山区建设重要建筑物、构筑物或桥梁时,通常在附近安装风速观测仪器,获得至少1年的短期风速记录。提出了根据短期风速记录预测指定重现期风速极值及风压方法,为结构抗风设计提供了科学依据。提出独立风暴法提取短期风速记录的最大值,建立极值I型概率分布模型,采用最好线性无偏估计方法确定概率分布参数。依据短期风速最大值概率与年风速最大值概率的变换关系,建立年发生最大值的概率分布及重现期风速、风压的表达式。算例结果表明,重现期风速预测值的离散性与风速阈值有关,在预测值离散系数较小的情况下可确定重现期风速及其置信区间。

计及高风速和低风速影响的海上风电机组两阶段滚动优化维护策略

针对复杂天气变化影响下海上风电机组维护决策问题,提出了考虑高风速与低风速影响的海上风电机组两阶段滚动优化机会维护策略。首先,提出考虑高风速冲击影响的维护役龄回退模型,量化实际部件退化与及维护成本关系。其次,建立了考虑低风速停机事件维护机会影响的海上风电机组长短期两阶段预防性机会维护模型,滚动更新长期预防性机会维护阈值。最后仿真结果表明,本文所提模型能够有效降低海上风电机组停机成本以及故障损失,提高机组寿命周期内的维护效益。

沿海地区良态风和台风气候不同时距风速转换系数研究

以华南地区某海岸机场区域2012—2021年的风速实测数据为对象,根据这10 a内台风的登陆情况,将其划分为良态风气候和台风气候,研究不同风气候环境下风速时距转换系数的变化规律。研究结果表明:在良态风气候下,月、季、年极值风速的分布规律均符合极值Ⅰ型(Gumbel分布),统计发现转换系数随时距增大呈指数递减的变化规律,基于此拟合得到良态风气候下月、季、年极值风速的时距转换系数公式;在台风气候下,时距转换系数曲线的平稳程度随台风强度的减小而减弱;时距3 s与10 min的转换系数的分布规律符合极值Ⅰ型分布,30 min、1 h与10 min的转换系数的分布规律符合极值Ⅲ型分布;使用良态风转换系数公式估计台风气候时距3 s与10 min的转换系数时,会存在10%~30%的相对误差,可将转换系数乘以对应的放大系数去近似估计,或直接采用1.63的转换系数。该研究结果可为不同风气候条件的风荷载计算提供参考。

矿用对射式风速风向传感器设计

针对目前风速传感器启动风速高、设计方案复杂、无法准确测量巷道整个断面平均风速的问题,基于超声波对射式测风原理,设计了以STM32为核心的矿用对射式风速风向传感器,介绍了传感器总体结构、收发电路设计、滤波算法及软件流程。该传感器改变了以点带面的测风方式,通过大距离(5~12 m)超声测风技术测量巷道中线风速,以该风速代表整个巷道的平均风速,提高了巷道风速测量的准确性和实时性。依据设计方案研发了测试样机,在环形风洞中的测试结果表明,该传感器测量值与风速标准值在0.1~15 m/s内具有较好的一致性,测量误差小于0.1 m/s,能够满足智能化矿井对巷道风速测量精度的要求。

2012—2021年吉林西部地区风速气候特征及其对风力发电的影响

选用2012—2021年吉林西部地区8个国家气象站逐小时风速观测资料,应用风切变幂律公式换算出气象站观测高度风电零发、满发、切出3种情况对应的特定风速阈值,统计分析零发风速、满发风速、切出风速的总时长、持续时长、年变化等气候特征及其对风力发电的影响。结果表明:吉林西部地区风能资源较好,年平均风速大,满发风速出现频次高,零发风速时长较短,不利于风力发电的特定风速时长较少。该地区3—5月风能资源最好,月平均风速大;1月、7—8月及12月的风能资源较好,月平均风速相对较小,零发风速时长较长;2月、5—6月的风力发电特定风速最少。吉林西部地区东部的风能资源相对一般,年平均风速较西部小,零发风速时长较长,满发风速出现频次较低,基本没有切出风速。

基于混合分解和PCG-BiLSTM的风速短期预测

为降低风速的随机性对风力发电的影响,提高风速短期预测的精准度,提出一种基于混合分解、双通道输入、多分支PCG-BiLSTM深度学习模型的短期风速预测方法。首先,将全年风速数据分为春、夏、秋、冬4个季度,选取春季作为主要实验对象;其次,利用奇异谱分解(SSD)和变分模态分解(VMD)以降低原始春季风速数据复杂度,生成具有不同模态且复杂度低的子分量,两种不同模式子分量组合为混合分量,实现不同模式分解算法的优势互补;最后,将混合分量以双通道的形式输入到多分支PCG-BiLSTM深度学习模型中,其模型的每个分支由卷积神经网络(CNN)与门控循环单元(GRU)并联组成时空特征提取模块,用于提取两种分解分量组合的混合分量的时空特征,各分支提取对应混合分量的时空特征经聚合后再由双向长短期记忆网络(BiLSTM)进一步提取风速信号的正向和反向双向波动规律,进而得到最终的风速预测结果。多组实验结果表明:提出的组合预测方法在短期风速预测中具有较高的精度和泛化能力,优于其他传统预测方法。

考虑分岔角度和火源位置的地铁分岔隧道火灾临界风速研究

为探究地铁分岔隧道的分岔角度和火源位置对隧道火灾烟气蔓延的影响规律,使用火灾动力学模拟软件FDS对不同火源位置、火源功率以及分岔角度等火灾场景下的地铁分岔隧道烟气温度分布、临界风速进行研究。研究结果表明:地铁分岔联络隧道的临界风速受表征顶棚最高温升系数α和表征分岔隧道分流量的速度损失系数ζ的耦合影响;临界风速时,隧道火源下游烟气温度符合双指数模型衰减;在本文研究的火源功率范围内,分岔隧道内无量纲临界风速与无量纲火源功率的1/3次方成正比;相同火源功率下,分岔角度对临界风速影响较小,而火源位置对临界风速影响较大,火源位于分岔后的临界风速大小约为分岔前的1/(1-ζ)倍。研究结果可为地铁分岔联络通道的通风排烟系统工程设计提供一定程度的参考。

超长滤袋局部加密对滤袋表面过滤风速分布的影响

针对超长滤袋表面过滤风速沿其轴向分布极为不均的问题,采用数值模拟方法探究了超长滤袋局部加密对滤袋表面过滤风速分布的影响,为提升超长滤袋袋式除尘器的过滤性能寻求解决方法。结果表明:当超长滤袋未进行局部加密时,滤袋表面过滤风速沿其轴向自上而下呈递减趋势,最大过滤风速高达3.18 m/min(设计过滤风速为1.0 m/min),对应过滤风速分布均匀性指数为0.122,过滤风速分布极不均匀,此时滤袋顶部受到高速气流的冲刷作用明显;当对超长滤袋顶部30%长度滤袋进行局部加密后,滤袋表面过滤风速分布均匀性得到显著提升;当局部加密孔隙率由85%降至60%时,滤袋表面过滤风速分布均匀性指数由0.037先增至0.518后降至0.434,对应除尘效率并不受影响;当局部加密孔隙率取值为65%时,滤袋表面最大过滤风速降至2.1 m/min,此时过滤风速分布均匀性指数达到最大值0.518。

考虑风速纵、横分量的列车气动载荷变化特性

为探索侧向环境风作用下列车气动载荷变化特性,对任意风向角下随车移动点处的风速纵、横分量进行建模,研究考虑风速纵、横分量的列车气动载荷计算方法,并分析在列车速度200~400 km/h、平均风速10~35 m/s及风向角30°~150°时的列车气动载荷特性.研究发现:在不同风向角下,考虑风速横向分量后,高速列车气动载荷波动变大,作用于列车上的瞬时气动载荷极值增大;风速横向分量主要影响列车气动载荷的标准差,且影响程度与风向角有关;随着风向角接近临界风向角,风速横向分量对列车气动载荷标准差的影响逐渐变小,随着风向角远离临界风向角,风速横向分量对列车气动载荷标准差的影响逐渐变大;列车气动载荷的标准差/均值主要与侧偏角有关,且在风向角为30°及150°时较大,其次是风向角60°和120°,而在风向角90°时则较小.

基于IBES-XGBoost的高速铁路沿线风速预测模型

为保证高速铁路沿线风灾预警信息具有较高时效性,需要进行高速铁路沿线超短期风速的提前多步预测。针对众多预测模型在预测中可能存在较大误差的问题,采用Tent混沌映射和BFGS拟牛顿法对秃鹰搜索算法进行改进,并用改进的秃鹰搜索算法(IBES)对XGBoost的初始参数进行优化。在构建IBES-XGBoost模型时,加入风速以外的其他气象特征,以提高预测精度。实验结果表明:(1)改进的秃鹰算法相比其他智能优化算法有更好的寻优能力,与其他模型相比IBES-XGBoost在超短期风速的提前多步预测上有着较高的精度和较好的拟合效果。(2)Tent混沌映射和BFGS拟牛顿法对秃鹰算法有着较好的改进效果。(3)IBES-XGBoost能为高速铁路规范下的大风预警提供可靠的提前多步预测结果。

不同建筑环境下平均风速剖面的数值模拟

基于计算流体力学(CFD)方法对具有不同建筑环境参数的城市上空的风场进行系统性的数值模拟,并对平均风速剖面指数的变化规律进行讨论。研究结果表明,建筑平均高度对平均风速剖面指数的影响较大,建筑密度对平均风速剖面指数的影响较小。文中还给出了以建筑平均高度和建筑密度为自变量的平均风速剖面指数经验公式。

山区输电线路跳线风偏状态方程及临界风速研究

为研究山区微地形中的竖向风速对跳线风偏的影响,基于刚性直棒法对导线、跳线及绝缘子串增加竖向风荷载分析,确定跳线处最大风偏位移值作为风偏指标,建立风荷载作用前后跳线静力平衡平面的几何变换关系,提出了考虑竖向风速影响的跳线风偏状态方程。建立半径5 km的地形模型,包含跳线风偏事故地点与微气象站点,采用数值模拟方法将微气象站点风速推演到事故地点风速,获得了考虑微地形影响的跳线风偏闪络事故风速。将事故线路参数及竖向风速代入跳线风偏状态方程,得到跳线风偏临界水平风速,通过与事故风速进行比较验证了跳线风偏状态方程的可靠性。最后根据风偏状态方程分析竖向风速的变化对跳线风偏临界水平风速的影响。结果表明:随着竖向风速的增大,跳线风偏临界水平风速线性减小,当风攻角为20°时临界水平风速可降低16%。考虑竖向风速影响的跳线风偏临界水平风速取值较为安全,建议在山区输电线路跳线设计过程中加以考虑。

相干测风激光雷达回波偏振态对径向风速精度影响

为了解决大气退偏效应造成激光回波与本振光偏振失配,导致相干测风激光雷达(LiDAR)外差效率降低的问题,基于相干多普勒激光测风雷达的系统组成和工作原理,采用数学建模法,仿真分析了回波偏振态对系统信噪比、探测距离和径向风速误差的影响;提出了偏振态修正途径,并利用琼斯矩阵建模讨论修正精度;用径向风速比对实验验证不同回波偏振态对径向风速精度的影响。结果表明,对于同一测试系统,在相同的天气条件下,与回波为圆偏振态相比,回波为椭圆偏振态时的最大探测距离下降46.7%,径向风速精度下降63%。此研究为相干多普勒测风激光雷达回波接收模块的优化提供了理论支撑。

1979-2020年西北地区地表风速的年代际变化特征

基于1979-2020年西北地区173个气象站点10 m风速观测资料和ERA-5再分析资料,揭示了西北地区年、各季节风速的年代际变化特征及2003/2004年年代际变化可能的环流背景。结果表明:1979-2020年趋势分布存在显著的区域差异,风速增大区域主要位于甘肃中部和东部、陕西、新疆西南和东北部分地区,其余站点风速大体减小。呈现减小趋势的站点数明显多于增加趋势的站点数,呈现减小趋势站点平均地表风速大于整个西北平均的风速值,呈现增加趋势的站点的平均地表风速小于整个西北平均的风速值,并且在2004年后明显增大。年平均和各季节第一模态的空间分布与1979-2020年趋势分布相似,时间序列的年代际变化发生在2000年前后。年平均和各季节第二模态除宁夏和陕西南部地区为负异常,其余站点大体均为正异常,其时间序列均发生了两次突变,分别发生在1987/1988年和2003/2004年。1987/1988年的西北地区风速变化成因已有大量研究,本研究重点分析了2003/2004年西北风速年代际变化成因的环流因子。从500 hPa位势高度2004-2020年与1988-2003年的合成差图可知,春季环流场呈现中亚-北欧的经向偶极子模态,夏季和秋季呈现为“丝绸之路”模态,冬季呈现“斯堪的纳维亚”模态,年平均呈现为北极涛动负位相。可见,2003/2004年前后四季和年平均环流背景变化都各有特点,它们如何影响中国西北地表风速2003/2004年的年代际变化的物理过程待于进一步深入研究。

隧道火灾临界风速模型的差异与适用性分析

临界风速是纵向通风隧道防排烟设计的重要指标,目前广泛采用的临界风速模型分为临界弗洛德数模型(世界道路协会PIARC推荐)和分段函数模型(美国消防协会NFPA推荐)两类,但两种公式的计算结果差异显著,给隧道防火设计造成了困扰。本文分析了PIARC公式和NFPA公式在不同火源功率、隧道宽度、隧道高度下计算临界风速的差异及成因,同时结合隧道火灾全尺寸试验、数值模拟对比了两种公式计算结果的控烟效果,并与已有的全尺寸和比尺模型试验数据比较论证了两公式的适用性。结果表明,受临界弗洛德数取值和均匀混合假定的制约,PIARC公式无法准确反映临界风速随火源功率的变化规律,公式计算结果明显偏小,且误差随着宽高比的增大而增大;而NFPA公式更加全面地考虑了火羽流状态与隧道断面尺寸之间的相对关系对临界风速的影响,计算结果具有更好的烟气控制效果,且与试验数据更为吻合;NFPA公式可以适用于大部分隧道断面和火源功率条件下的临界风速计算,而PIARC公式仅适用于断面宽高比较小(AR≤1)和火源功率较大(HRR≥15MW)时的临界风速计算。

矿井巷道风速智能感知技术研究进展

矿井通风系统智能化是推进智能矿山建设、保障矿井安全生产的关键环节,通风参数作为基础数据来源,是矿井通风系统智能化建设的重要保障。而矿井巷道风速智能感知技术发展过程中存在传感器精度及可靠性优化、传感器测风误差修正、平均风速智能快速预测、传感器布设优化等关键科学技术问题有待改善。综述了传感器技术、高精度智能风速预测等研究成果,总结了各项技术的优劣及适用范围,提出了基于PSO−GRU神经网络构建的巷道断面平均风速智能预测模型,该模型能够有效提高矿井巷道平均风速测算的精度,可为通风参数智能感知技术的发展提供理论参考。

基于PI-BBI的高铁沿线秒级风速质量控制算法研究

由于高铁超声波测风仪碍于安装环境限制易受外部干扰产生秒级异常风速,而现有的基本质量控制方法与气象领域分钟级时距质量控制算法无法准确识别秒级异常风速,导致监测风速不能很好地满足高铁秒级风速监测预警需求。为了解决该问题,基于高铁沿线风速监测异常值数据特征,提出一种基于PI-BBI的秒级风速监测数据质量控制算法。该方法首先利用基于物理信息的双向长短期记忆网络对风速异常值进行预测,并得到预测误差;接着通过改进的指数加权移动平均法对预测误差进行平滑;最后使用孤立森林检测平滑误差序列中的异常值,从而能够识别原始风速序列中的异常值。实验结果显示,该质量控制算法能有效改善高铁沿线风速监测数据的质量,从而提高监测预警的准确性。

ML组合的CYGNSS海面风速反演质量控制模型

卷积神经网络(CNN)可用于气旋全球导航卫星系统(CYGNSS)的海面风速反演。虽然在模型训练前设置了质量控制指标来检测和削弱CYGNSS的异常观测数据,但CYGNSS观测数据中仍存在异常值导致模型反演精度降低,甚至出现错误反演结果。因此,提出一种基于机器学习(ML)组合的海面风速反演模型。在基于CNN回归模型的CYGNSS反演海面风速基础上,ML分类模型生成CNN回归结果的质量标志位,该标志位可以检测并删除CNN回归结果的异常值,进一步提高风速反演结果的数据质量,ML分类模型能够更好地考虑各种数据误差之间的相互作用,而不是单独使用每个条件的阈值,以达到更优的海面风速反演精度的效果。实验对比了Logistic回归(LR)、决策树(DT)、朴素贝叶斯模型、K最邻近(KNN)算法、神经网络(NN)模型、支持向量机(SVM)算法等6个分类模型,其中,基于KNN算法的分类模型对风速反演质量控制的效果最优。所提风速反演组合模型显著提高了反演结果的精度,在0~20 m/s区间内,异常样本过滤率为81.27%,在所有被过滤的数据中,过滤正确率为86.03%;风速反演误差的均方根误差从无ML分类模型的1.7 m/s降低到有ML分类模型的1.44 m/s,其中,训练样本为0~10 m/s的反演结果精度提升效果较为明显,证明了所提风速反演组合模型对风速质量控制的有效性。

基于阵列风速仪实测的台风“苏迪罗”近地风场空间相关性研究

[目的]针对沿海区域近地台风风场的空间相关性问题进行研究.[方法]根据阵列风速仪实测的台风“苏迪罗”风速风向数据,选取4个稳定时段的288个风速样本,对台风近地风场的空间相关性进行详细的分析.首先定性研究平均风速和风向角对顺、横风向、垂直方向脉动风速的竖向和水平互相关系数的影响,然后分析平均风速和风向角对3种脉动风速竖向和水平相干函数的影响,最后对顺风向竖向相干函数、顺风向水平相干函数和横风向水平相干函数进行公式拟合,获得相关参数的取值.[结果]平均风速对顺、横风向的竖向和水平互相关系数及相干函数有一定影响,平均风速越大,相应的互相关系数和相干函数也随之增大;风向角对3种脉动风速的竖向相关性影响不大,但对顺、横风向的水平互相关系数和相干函数影响较大;各种相干函数在零频率处(f=0 Hz)的数值大都小于1.0,零频率处的数值随距离与平均风速的比值呈指数衰减规律;顺风向竖向相干函数、顺风向水平相干函数和横风向水平相干函数随距离与平均风速比值的衰减系数分别为9.3 f+0.38,3.1 f+0.18,3.2 f+0.16.[结论]基于阵列风速仪实测的近地台风数据,分析得到了台风风场的空间相关性特性,竖向和水平的互相关系数和相干函数,给出的拟合公式可用于大跨度空间结构和桥梁结构的动态响应分析计算,可有效评估工程结构的抗风安全性.

基于变分模态分解与鲸鱼算法优化回声状态网络的风速预测模型

风速受多种因素影响常伴随着随机性和非平稳性,给风电接入电网造成了相当大的困难,准确的风速预测对风力发电有着极大的研究意义。将变分模态分解算法与鲸鱼算法优化回声状态网络模型相结合,提出了一种风速预测模型。首先通过变分模态分解算法将风速序列分解成多个分量以减少风速内部信号间的耦合性,降低建模难度。然后对这些分量分别建立对应的回声状态网络预测模型。针对回声状态网络模型性能受储备池参数影响较大的问题,采用鲸鱼优化算法对储备池参数进行优化。风速的最终预测值由分解后各分量预测值相加得到。最后,将实际采集的短期风速数据作为研究对象,通过与其他4种预测模型的对比分析表明提出的风速预测模型具有更高的预测精度,能够更好地对风速的变化趋势进行预测。