台风条件下航站楼风环境数值模拟研究

以杭州萧山机场T4航站楼为对象,采用Realizable k-ε湍流模型进行了周边风环境数值模拟。首先通过与刚性模型测压风洞试验结果的对比,验证了该数值模拟方法及参数的有效性;然后,研究了不同风向角下行人高度(2 m)处加速比的变化规律,以及台风登陆情况下距离地面10 m高度处的风速分布情况。结果表明:航站楼两侧的角点位置处和西侧建筑群迎风面道路间易受角隅效应和峡谷效应的影响,存在明显的风加速现象,在台风登陆条件下,航站楼周边大部分区域风速达到六级(强风)以上,而陆侧交通中心区域由于四周建筑的遮挡,所受影响相对较小。

华东沿海地带台风风廓线特征的观测个例分析

利用2007年的"韦帕"、2009年的"莫拉克"、2010年的"凡亚比"和2011年的"梅花"四个台风的GPS探空数据,本文对华东近海和沿海地带的台风风廓线特征进行分析。首先求出梯度风速及其对应的高度,在此基础上利用指数律和对数律对风廓线进行拟合,并对幂指数、10米高度的地表风速和梯度风速的风速比,以及由对数律定义的常通量层高度等参数进行计算,并对梯度风高度和常通量层高度进行比较。结果表明:登陆台风沿海地带风廓线的梯度风高度和常通量层高度有明显差异。本文还对登陆台风平均风廓线的各参数进行了计算,并对梯度风高度以下风廓线偏离对数律的原因进行了讨论。

数值模拟大气边界层中解决壁面函数问题方法研究

在雷诺平均N-S方程湍流模型框架内,壁面函数常用来模型化壁面附近的低雷诺数流动。探讨基于标准湍流模型数值模拟大气边界层中出现的壁面函数问题。在已有标准壁面函数基础上,通过增加一个附加项来模型化地表上面建筑结构等粗糙元由于大小不一、错乱分布对地表附近空气流动产生的附加影响。通过模拟缩尺比为1∶300的具有较大空气动力学粗糙长度的中性大气边界层,以及缩尺比为1∶50的TTU低矮建筑模型在中性大气边界层内的绕流,对附加项的有效性和使用场合进行评估和说明。结果表明:附加项对于解决壁面函数问题,即在计算域内保持来流边界条件是必要的。

台风影响下福州地区的风廓线特征

对台风影响下福州地区的风廓线特征进行了研究。资料来源于福州气象站的无线电探空数据,涉及2005-2009年期间严重影响福州地区的15个台风、共91条风廓线。首先求出梯度风速及其对应的高度,在此基础上采用指数律对梯度风高度以下的风廓线进行拟合,并对幂指数以及10 m高度的地表风速和梯度风速的风速比进行了计算。结果表明:幂指数的平均值为0.43,风速比的平均值为0.12;随着梯度风高度的增大,幂指数减小,风速比增大;风速比按指数律随幂指数的增大而衰减。以台风中心到福州气象站的距离为参数,还对风廓线各特征参数在台风登陆过程中的变化趋势进行了分析。

阻塞率对表面风压系数影响的数值模拟

以同济大学TJ-2风洞模拟的缩尺比为1∶50的B类风场为目标,给出了基于标准k-ε湍流模型的数值风场。作为数值风场的一个应用,对TTU模型的定常绕流进行模拟,并与风洞试验以及现场实测结果进行比较,重点探讨了阻塞率对表面风压系数的影响。结果表明:对于TTU模型的屋顶和背风面,阻塞率增大可导致风压系数绝对值有增大趋势;对于TTU模型的迎风面,由计算域侧面引起的阻塞率增大,导致风压系数有减小趋势,而由计算域顶面引起的阻塞率增大,则导致风压系数有增大趋势。

高雷诺数条件下二维方柱涡激振动的数值模拟

利用作者编制的基于松耦合方法的求解气动弹性问题的数值模拟程序,计算了二维方柱在高雷诺数条件下,的横向涡激振动.结果表明:随着折减风速的增加,在特定折减风速条件下,方柱的涡激振动出现锁定现象;由于方柱的自然振动频率和涡激振动系统的旋涡脱落频率的相互作用,涡激振动出现拍的现象;随着折减风速的增加,涡激振动系统的旋涡脱落模式从异相2S(2-single)变化到同相2S,即相位转换现象.该文还将计算结果和文献中的计算结果进行了比较和评价.

中等到强风条件下近海拖曳系数随风速变化的观测

利用位于海岸的风塔提供的四层风速观测数据,经过系统和严格的数据质量控制,采用风廓线法,研究了海上来风拖曳系数随风速的变化。观测数据共2 003 h,期间包括三个台风数据。（1）尽管风塔位于海岸,在风速较大时（u10〉5.5 m/s）,观测数据不受局部地形的影响,海上来风的下垫面具有近海海面的特征;（2）总体而言,在10~24 m/s之间,当风速小于21 m/s时,随风速的增大,拖曳系数增大,在风速达到21 m/s时,拖曳系数达到最大值,随风速的进一步增大,拖曳系数减小;（3）近海条件下,海况和波龄与风向密切相关,因此,在使用基于开阔海域海浪充分发展假设的拖曳系数风速参数化方案时,有必要考虑风向产生的影响。

圆柱两自由度涡激振动的数值模拟研究

利用自编制的基于松耦合方法的求解气动弹性问题的数值模拟程序,计算了在低雷诺数Re=100条件下圆柱的两自由度涡激振动,涡激振动系统的折减阻尼比M*ξ=0.020 8.结果表明,随着折减风速的增加,振动系统依次经历以流向涡激振动和以横向涡激振动为主导的两个锁定区域.结合笔者以前关于圆柱单自由度横向涡激振动的研究工作,考察了流向自由度对横向涡激振动的影响.结果表明,在低雷诺数和低折减阻尼条件下,流向自由度对横向自由度的涡激振动基本没有影响,从而验证了已有的基于实验研究的结论.

不同间距两并列山丘地形风场大涡模拟研究

文中采用基于空间平均的大涡模拟方法,分析不同间距(0、0.5H、H、2H、3H)对两并列山丘之间的流向风场分布特征、风场干扰因子以及山丘周围瞬态涡结构的影响。结果表明间距对并列山丘之间流向风场的影响,主要集中在山丘内侧山脚处和峡谷近壁面一定高度范围内。对称面近壁区的风速干扰因子在间距D=0H时受到的影响最大。随着间距增大,山丘背风面涡环尺度逐渐减小,两山丘中间长条状涡逐渐分散。可为峡谷地形项目的建设选址提供参考。

某中央商务区行人风环境初步评估

采用数值模拟方法,对某中央商务区高度简化建筑群的风环境进行了计算,在此基础上,结合附近自动气象站的风速观测数据,对该区域的行人风环境进行了初步评估。数值模拟方法采用了修正的壁面函数,保证了建筑群所处的未受干扰的风场参数和来流边界条件一致。行人风环境评估结果表明:在重点关注的3栋超高层建筑中间,当盛行东南风时,行人的某些活动受到影响,即该项活动不满足本文选定的行人风环境评价标准。

两自由度椭圆柱体涡激振动的数值模拟

利用作者编制的基于松耦合方法求解气动弹性问题的程序,对高雷诺数条件下椭圆柱体的涡激振动进行了数值模拟。椭圆柱体的长短轴比接近2,来流和长轴垂直。数值结果表明:尽管椭圆柱体在横向和流向的动力参数不同,结构振动仍以横向振动为主;和圆柱以及方柱一样,两自由度椭圆柱体的涡激振动同样存在流向锁定和横向锁定,并且随着折减风速的增大,旋涡脱落模式从异相2S变化为同相2S。

基于松耦合法的求解气动弹性问题的数值模拟方法

通过修改流体-结构界面处流体域的边界条件并引入松耦合方法,改进了一种求解气动弹性问题的数值计算方法.该数值计算方法的网格生成、流场求解、结构求解和数据交换四个过程相互独立,因而有可能利用现有的发展比较成熟的商用网格生成器、CFD(computational fluid dynamics)求解器和CSD(computational structural dynam-ics)求解器分别完成这些功能.通过对折减阻尼比为0.020 8的圆柱涡激振动问题在雷诺数为100条件下的计算结果进行分析,表明该方法是可行的.

典型2维柱体涡激振动的数值模拟研究

利用作者编制的基于松耦合方法的求解气动弹性问题的程序,对圆柱和方柱等典型2维柱体的涡激振动进行了数值模拟.计算结果表明:2维柱体的涡激振动存在2个锁定状态,即低折减风速条件下的流向锁定和高折减风速条件下的横向锁定;随着折减风速的增大,2维柱体的旋涡脱落模式从异向2S(2-single)变化到同向2S;伴随着旋涡脱落模式的转变,气动力和位移之间的相位差出现0→π的剧烈变化,即相位转换现象;通过对相位转换现象进行分析,给出了涡激振动是限幅振动的机理解释.

振动圆柱绕流气动力系数的数值模拟研究

给出了在锁定状态下不同振动条件时气动力系数变化的计算结果及其机理分析。首先给出固定圆柱绕流气动力系数的数值模拟结果;其次,在特定的频率比条件下,计算了升力系数均方根值和平均阻力系数随振幅的变化,并从圆柱的底部压力系数和漩涡生成长度两方面对这种变化进行了机理分析。

雷诺应力对平均和脉动压力影响的数值模拟

采用增加雷诺应力边界条件方法考察了雷诺应力对流场的影响。当雷诺应力边界条件存在时,流场内平均和脉动压力的变化体现了雷诺应力的影响。本文首先在没有雷诺应力边界条件和有雷诺应力边界条件的情况下得到TTU低矮建筑标准模型表面的平均压力系数,结果表明:考虑雷诺应力可使建筑物表面的平均压力系数的绝对值增大。本文还利用Selvam提出的脉动压力系数数学模型,计算了TTU模型表面的脉动压力系数,并对计算结果进行了分析。

台风条件下不同时距最大平均风速之间的转换系数研究

利用位于福建省漳浦县赤湖镇海岸线观测塔提供的三个登陆台风的四层超声风速仪观测数据,在数据质量控制基础上,研究不同下垫面条件下阵风因子与平均风速、观测高度,以及阵风时距的关系;在此基础上,给出不同时距最大平均风速之间的转换系数,从而在不同研究机构采用的表征登陆台风强度的1min、2min和10min最大平均风速之间建立联系,并和WMO的推荐值进行比较。计算结果表明：粗糙度对阵风因子有显著影响,对转换系数影响较小;本文给出的2~10min最大平均风速之间的转换系数和WMO的推荐值相差不大,表明计算结果是合理的,以及在相似地貌条件下利用WMO的推荐值进行强度估计具有一定的可靠性。

新一代区域海-气-浪耦合台风预报系统

依托国家重点基础研究(973)计划项目"上层海洋对台风的响应和调制机理研究",中国气象局上海台风研究所联合国家海洋局的相关单位,通过实施近海台风的外场观测科学试验、加强台风边界层(特别是海气相互作用)物理过程诊断分析及参数化方案等的研究,建立并改进了台风强度预报的海-气-浪耦合预报模式系统,并在此基础上发展了台风强度的集合预报技术,在历史典型台风个例和2016—2017年台汛期的业务化测试中表现出良好的预报性能。

2009年“莫拉克”台风登陆过程阵风特征分析

利用上海台风研究所移动观测车获取的"莫拉克"台风登陆过程中超声风、温等观测资料对地面阵风特性进行了诊断分析。结果表明,在风速时间序列中叠加有周期为3—7min的阵风扰动,显现出明显的相干结构,即沿顺风方向阵风风速峰期有下沉运动,谷期有上升运动;阵风扰动的各向异性特征明显,沿顺风方向的阵风扰动能量最大,其次是沿侧向和垂直方向的扰动能量;沿顺风方向的阵风垂直动量通量向下传播,而沿侧风方向阵风扰动动量垂直通量总体贡献接近于0。阵风扰动沿顺风方向的积分空间尺度和时间尺度最大,沿侧风方向和垂直方向其次,均明显大于湍流的积分空间和时间尺度。此外,阵风扰动的其他特征还包括:感热垂直通量极小;当平均风速较大时阵风风向变化幅度较小,而风速较小时阵风风向变化幅度则较大;动力学分析表明,阵风扰动主要表现出重力内波的一些特性。

独立柱广告牌风灾风险评估技术研究

强风导致独立柱广告牌的破坏是城市不可忽视的安全隐患之一。利用CFD及有限元分析等方法对独立柱广告牌所受风荷载及变形进行了分析,结果表明,在对独立柱广告牌进行受力分析时,必须考虑来流方向因素导致的受力不均匀性。以独立柱广告牌的正常使用极限状态为目标,提出了一种综合考虑风速风向影响的广告牌风灾风险评估方法,以此来衡量独立柱广告牌在极端大风天气下可能的风灾风险程度,为此类广告牌的风灾评估提供技术支撑。

三维压电介质界面裂纹的边界积分—微分方程

基于三维两相横观各向同性压电介质的基本解和压电介质的Somigliana恒等式 ,利用发散积分的有限部理论 ,建立以裂纹面上的不连续位移和不连续电势为基本未知量的三维压电介质界面裂纹问题的超奇异积分—微分方程组 ,其中的积分核具有O(1 r2 )阶的奇异性。当两相材料退化为均质材料或单相材料时 ,方程组中的微分项的系数为零 。