对数律和指数律风剖面的差异分析及其对桥梁抗风性能评价的影响

现有的公路桥梁抗风设计采用指数律风速剖面来计算各个基准高度的平均风速,然而气象学实践和一些国家规范中早已采用对数律风速剖面,两种风速剖面在不同高度处的平均风速差异及其对桥梁抗风的影响应当值得关注。对比了不同地表粗糙类型下对数律模型和指数律模型在不同高度处的风速差异,并采用ANSYS有限元软件计算了实桥在风荷载下的位移和桥塔弯矩差异。结果表明,在地表粗糙度较大和离地高度较大时,对数律和指数律模型的风速差异较为明显,风荷载的差异对桥梁内力和位移造成的影响不可忽略。有必要进一步研究这两种风速剖面模型在高空处的准确性,以更好地指导桥梁的抗风设计。

基于聚类分析的台风米娜风剖面特征分析

研究台风的风剖面特征对结构抗风设计和防灾减灾具有重要意义。利用风廓线声雷达实测得到2019年台风“米娜”不同高度风速数据,对台风“米娜”平均风剖面特征进行研究。采用凝聚层次聚类分析方法对台风“米娜”平均风剖面进行分类,分类后的典型风剖面进行模型拟合分析。结果表明:凝聚层次聚类分析方法可以有效将台风“米娜”平均风剖面进行分类,得到的典型风剖面可以反映台风“米娜”风剖面特征,为未来实测台风风剖面特性的研究提供参考。

台风边缘/中心区域经历平坦地貌时平均风剖面特性

利用浙江沿海东海塘观测塔(120m高),实测得到3次强台风(海棠Haitang 0505、麦莎Matsa 0509和卡努Khanun0515)登陆时段距地面5个不同高度处平均风速记录资料。统计表明平均风剖面幂指数登陆前变化均非常剧烈,登陆后则趋于平稳;实测场地(近A类场地条件)多数情况台风的风剖面幂指数均大于规范规定值0.12,仅在台风中心经过观测塔较短时间内取值小于规范建议值;当观测塔始终位于台风影响外围区时,平均风剖面幂指数随着台风中心与观测塔距离的增大而缓慢减小;当观测塔穿过台风中心时,平均风剖面幂指数随着台风中心与观测塔距离的增大而增大,同时,台风登陆后,观测塔所在地的平均风速逐渐减小,而平均风剖面幂指数却逐渐增大。

台风“梅花”近地风剖面变化

基于10、20、30和40m高度处台风"梅花"影响下的上海浦东地区近地风现场实测数据,主要研究了平均风速、湍流度和阵风因子随高度的变化规律.结果表明,通过公式计算得到的边界层高度随平均风速的增大而增大,平均值为2 063m,远远大于我国规范(GB50009—2001,2002)规定的B类地貌下的边界层高度(350m).当平均风速较大时,大气稳定度参数z/L随平均风速变化较小,基本在区间[-0.1,0.1]内波动,此时大气近似趋于中性.指数率、对数率和Deaves-Harris模型与平均风速实测剖面均吻合较好.参考ASCE7-10中湍流度剖面的表达形式,通过拟合得到了纵向、横向和竖向湍流度随高度变化的经验表达式.另外,对实测阵风因子随高度的变化进行了拟合,拟合结果可以为今后工程设计提供参考.

浙南滨海丘陵地貌台风近地风剖面特性实测研究

基于浙江苍南滨海丘陵地貌测风塔(100m),实测获得了台风"莫拉克"登陆历程中不同高度风速及风向数据,并进一步研究了不同高度的平均风速和风向角、湍流度、阵风因子、相干系数、湍流积分尺度和功率谱密度等风剖面特性参数。研究表明:在测风塔所置浙南滨海丘陵地貌,台风作用下不同高度处的10min平均风速和风向角的变化非常同步,指数律能较好的反映风速沿实测高度范围内的分布规律;随着高度的增加,湍流度、阵风因子呈逐渐减小的趋势,湍流积分尺度均值呈逐渐增加的趋势;湍流度与我国规范差异较大,国家规范偏于保守;湍流度与阵风因子之间基本为线性关系,随着湍流度的增大,阵风因子相应增大,且随着高度增加,线性关系的离散度逐渐变小;顺风向湍流积分尺度的中位数剖面与日本规范较为接近;脉动风速的功率谱密度在顺风向与Von Karman谱在拟合较好,尤其是100m处,而在横风向相差较大;随着风速仪间距增大,相关性迅速变弱,同等间距时,高处要比低处的相关性好。

山地下击暴流风剖面特性试验研究

为研究山地下击暴流的近地风场特征,建立了三维余弦山体模型,通过物理试验研究了不同初始出流风速和径向距离下山地下击暴流的风场特性、风剖面特性和山顶风速加速效应。研究结果表明:在山体迎风侧,气流挤压使得风剖面中最大风速值所在高度更贴近地面,在山体背风侧,由于山顶对气流的抬升作用,风剖面中最大风速值所在高度显著提高;距离风暴中心径向距离和出流风速大小会明显影响山地下击暴流的风速值,对山顶最大风速加速比影响较小;山地下击暴流山顶最大风速加速比在数值上近似等于1.0加上对应的山体坡度值。

基于Bootstrap方法的近地风剖面参数分析

通过选取近海岸100 m测风塔获取的10 m、50 m、65 m、80 m、100 m等5个高度台风和季风风场强风样本,研究强风条件下近地台风和季风风场的平均风剖面参数合理取值,应用Bootstrap统计分析方法,分析了强风样本容量较小条件下平均风剖面参数变异性及置信区间。分析结果表明:近地台风风场平均风速剖面符合指数律或对数律,台风风场风剖面指数均值为0.12,95%置信度条件下的置信区间为[0.117,0.125];季风风场风剖面指数均值为0.07,95%置信度条件下的置信区间为[0.065,0.070];台风和季风风场平均风剖面指数均值估计的概率分布呈高斯分布特征,均值的置信区间相对较窄、趋于稳定,分析结果具有较好的精度和可信度。

基于六旋翼无人机搭载风速仪的边界层风剖面实测研究

对基于六旋翼无人机搭载风速仪进行边界层风场测量的可行性进行了研究,分析了实测得到的平均风速和风向角、湍流度、阵风因子、湍流积分尺度与功率谱密度等风场特性参数,并与测风塔上固定安装的风速仪测量结果进行比较。结果表明:基于无人机方法所测得的风速风向值经过修正后与测风塔实测值基本一致,两者误差在±3%以内;基于无人机方法所测风速拟合的风剖面精度较高,且与规范规定的B类地貌风剖面接近,其拟合计算的平均地面粗糙度为0.148;基于无人机方法所测得的各项脉动风特性参数与测风塔的实测值较为接近,两者误差控制在±5%以内;湍流度与阵风因子存在指数相关性;基于无人机方法所测得的脉动风速功率谱与测风塔所测脉动风速功率谱基本一致,且与Karman谱有较好的吻合。

MM5模拟垂直风剖面的准确性探讨及在垂向气象场的分析应用

通过调整垂直方向的垂直层分布及增加垂直层数,提高MM5对近地面及中高空风、温度等气象场的模拟准确度,更好地模拟垂直风剖面随高度的变化。特别地,由于模式中2 000 m以上中高空的垂直层比较稀疏,加密垂直层能比较显著改善中高空气象场的模拟结果,这对于研究对我国影响较大的西南风低空急流和高空急流等气象现象有较重要的意义。讨论研究了土地利用的更新对垂直风剖面造成的影响,对比分析了新旧土地利用类型下珠江口三个垂直剖面的流场变化。土地利用的更新会产生不同的地面热通量和水汽通量,并通过垂直方向上的湍流输送进一步影响到高空气象场,从而改善垂直风剖面数值模拟的准确度。

我国规范合理风剖面的建议

本文参考国上先进国家的规范 ,对我国规范风剖面中风压高度变化系数的差异作了分析 ,在此基础上提出风剖面的改进公式 ,并进行了分析和比较 。

大气层结和海气交换作用影响的海面风剖面研究

风速剖面是各类工程结构抗风设计的关键参数。为了准确估算近海各类工程建筑结构承受的风荷载作用,通过在对数风剖面中引入大气稳定度函数和拖曳系数来刻画大气层结和海气交换作用对近海风速剖面的影响并建立相应的模型,最后利用强台风"黑格比"(0814号)的实测数据对模型进行了验证。研究结果表明:大气层结和海气交换作用对台风"黑格比"风速剖面有一定的影响,考虑大气层结和海气交换作用的风速剖面较对数剖面更能准确描述台风过程的风速剖面特征。

地面粗糙度对下击暴流风剖面特征影响

地面粗糙度是大气边界层中反映下垫面形态的重要指标,也是影响近地风场特征的重要因素。为研究地面粗糙度对下击暴流风剖面特性的影响,基于计算流体力学方法建立了下击暴流三维足尺模型,通过实验对数值模型进行了验证。通过调整粗糙元高度及分布密度来模拟自然界地面不同的粗糙类别,数值模拟了具有不同地面粗糙长度的下击暴流近地风场。结果表明:在距离风暴中心较近的位置(r≤1.0Djet),地面粗糙度对下击暴流风场的影响并不明显,各径向位置的最大风速值和最大风速所在高度都基本不受地面粗糙度影响;在下击暴流冲击地面后沿径向发展的过程中,经过粗糙的地面,产生能量耗散效应,地面粗糙度对于下击暴流风剖面特征的影响逐渐显著,不同地貌下的竖直风剖面产生较大差异;在近地面高度,地面粗糙度对下击暴流径向风剖面影响显著且影响范围大,沿径向发展的方向下击暴流的风速随着地面粗糙长度的增加而下降更迅速;随着距离地面高度增加,地面粗糙度对径向风剖面的影响主要体现在远离风暴中心的区域。尽管下击暴流形成后沿径向扩散过程存在强度自然衰减过程,但在距离风暴中心较远的径向位置,当遭遇强下击暴流时,下击暴流引起的近地面强风仍然具有很大的威胁和破坏性,因此地面粗糙度对下击暴流风剖面特性的影响不能忽略,需要在风剖面模型中考虑地面粗糙度的修正。

台风“Soulik”东南沿海近地风剖面特性研究

基于福建宁德地区500 kV输电杆塔离地15 m,27 m,53 m,67 m,和82 m高度处台风“Soulik”实测数据,研究了平均风速、湍流度和阵风因子在垂直高度范围内的变化规律。结果表明:当风速小于12 m/s时,粗糙度指数随平均风速的增大而减小;当风速超过12 m/s时,粗糙度指数随平均风速变化较小。摩擦速度随平均风速的增大而增大,并且随着高度的增大其数据离散度也不断增大。用公式计算出近地边界层高度随平均风速的变化规律不明显,实测数据平均值为2007.89 m,远高于我国规范规定B类地貌下大气边界层高度350 m。台风“Soulik”平均风速沿高度地变化规律与指数率和对数率模型吻合较好。通过指数型拟合分别得到了纵向、横向和竖向湍流剖面的表达式,同时对实测阵风因子进行了形如G i=α(z/10)^(β)的拟合,并获得了阵风因子的经验表达式。

山体坡度对下击暴流风剖面的影响研究

在大气边界层内,地形特征对风速的大小、方向和分布有着重要的影响。为了更好地探究地形特征对于下击暴流风剖面特性的影响,本文选择了坡度为30°、45°、60°的三种余弦山体地形进行数值模拟,进而得到风速分布图以及不同位置的风剖面情况。模拟结果分析表明:下击暴流在从山脚到山顶的过程中都会形成明显的加速效应,并在山顶附速度达到最大值。从迎风面来看,不同坡度的最大速度值比较接近,坡度小的会略大于坡度大的。

测定风剖面和预测晴空湍流的仪器及方法

了解不同高度的风带和风向对于飞机驾驶员来说是非常重要的,这有许许多多理由,其中两个理由就是可以减少燃料消耗和增加安全性。在巡航高度,如果驾驶员意识到存在比较有利的风压面并充分利用它,那么就可以降低飞机的燃料消耗。

测定风剖面的激光雷达提高空投精度

设在赖特佩特森空军基地的美国空军研究实验室在提高高空空投精度方面迈出了一大步。该实验室的一个“空投弹道风”研究小组正在试验和演示一种被称为“实用型激光雷达” (OCL)的风剖面测量系统,该系统的性能比其前身有明显的提高。它能实时提供从空中至地面的、距离范围在100m以内的风场的三维绘图,风速的测量精度在0.5m/s以内。

超强台风山竹近地层外围风速剖面演变特性现场实测

利用多普勒激光雷达在琼州海峡北岸徐闻地区从2018年9月15日12:28到2018年9月17日13:53对1822号超强台风山竹外围风场进行实测,获得台风登陆前29个小时至登陆后21个小时时间范围内每隔10min一次的近地层风速剖面演变数据。总结台风远端风场演变过程的4个阶段:外围小风、登陆前强风切变、登陆后低空急流、台风远离时风速衰减;发现台风远端风场S形和反C形2种风剖面形态;总结距离台风中心230～750km范围内最大风速高度沿台风半径向外先增大后减小的趋势;发现台风登陆前远端风场平均最大风速高度约360m,平均风剖面幂指数0.41,登陆后平均最大风速高度约800m,平均风剖面幂指数0.28;验证Vickery提出的对数律修正模型对台风远端风场风剖面形态的适用性,发现该模型对反C形风剖面拟合度较好,对S形风剖面上部重现度较差。

基于风观测塔和风廓线雷达实测的强台风黑格比风剖面研究

利用两座风观测塔和一台风廓线雷达对强台风黑格比的实测结果,研究了台风黑格比近地塔层和边界层风剖面特征。结果表明:在近地塔层风剖面,陆地来风时,最大风速高度高于70m,且指数律剖面指数α随着风速的增大而减小;海面来风时,最大风速高度约为50m,指数律剖面指数α随着风速的增大而增大。在边界层风剖面,台风黑格比前眼壁强风区梯度风高度为450m,后眼壁强风区为300m,外风场为200m。指数律和对数律剖面可以用来描述台风黑格比眼壁强风区300m高度以下和外风场200m高度以下的风剖面,但是风剖面参数不符合规范推荐值,D-H模型参数不适合描述其风剖面,需进行修正。

下击暴流竖直风剖面的时变特征

以冲击射流模型作为下击暴流的基本风场模型,基于计算流体动力学方法完成了下击暴流初始出流、下沉、冲击地面和沿地面扩展的全过程数值仿真。在此基础上研究了下击暴流在发生、发展和扩散各个阶段的竖直风剖面的时变特征。结果表明,在下沉气流冲击地面前后,各径向位置的水平风速竖直风剖面呈现显著变化。随着下沉气流冲击地面并沿地面向四周扩展,下击暴流形成的环形涡依次经过距下沉气流冲击地面中心由近至远的各径向位置。随着环形涡远离中心,靠近中心的各径向位置的竖直风剖面形状逐渐保持固定,而远离中心的各径向位置处的竖直风剖面则在环形涡抵达前后发生较大变化。

飑线风横向风剖面的工程计算方法

雷暴天气中的下沉气流在近地面区域形成了飑线风,这是破坏力最强的风灾之一。为方便飑线风风剖面在工程设计中的应用,以垂直撞击水平地面的飑线风为例,整理了采用国际量纲的飑线风横向风剖面的计算流程,然后通过计算流体动力学计算得到了全尺寸飑线风的风场,进而比较分析并选取了飑线风风剖面的经验公式,得到了工程可用的风剖面计算方法。最后利用选取的风剖面经验公式计算得到了不同径向位置的风剖面,并结合大气边界层风剖面的分布情况,对飑线风的影响高度及径向尺度进行探讨,指出了在飑线风的最大风速位置附近,其影响高度最高。