Statistical spectrum model of wind velocity at Beijing Meteorological Tower

The wind velocity spectra at Beijing Meteorological Tower are calculated using Hilbert-Huang transform and Fourier transform,respectively.A innovative model of wind velocity spectrum,which is accordant with the characteristics in both the inertial subrange and the large eddies range,is presented in this paper.The method of least squares is adopted to obtain the parameters in the model.Then the differences between the FFT spectrum and the HHT spectrum are compared.It is indicated that the values of the HHT spectrum in the energy containing range are slightly larger than those of the FFT spectrum while the values of the HHT spectrum in both inertial subrange and dissipation subrange are very close to that of Fourier spectrum.It is concluded that the HHT spectrum describes elaborately and accurately the spectrum values in the low frequencies and the fitted wind velocity model provides a reference for reconstructing the near-ground wind field of Beijing city in wind tunnel test and for numerical simulation.

Turbulent Wind Field Simulation of Wind Turbines With Rotational Effects

为准确得到风轮旋转效应对风力发电机组湍流风速脉动分量的影响，推导了旋转Fourier自谱和互谱。分析了风轮旋转效应通过相干函数和相位延迟体现的物理本质，提出了引入相位延迟参数的旋转Fourier自谱和互谱。以旋转Fourier自谱和互谱的模构建旋转谱矩阵，对其进行Cholesky分解，将相位延迟引入谱表现方法中实现风力发电机组湍流风场的模拟。最后，结合某1．5Mw三叶片变桨距风电机组进行纵向脉动风速时程的数值模拟，并对计算功率谱与目标谱进行了校核，证明该文算法可以更为准确地模拟作用在风轮旋转叶片上的脉动风速时程。

利用双偏振参量估计降水粒子下落末速度及三维风场反演的应用

降水系统三维风场反演的关键问题之一是准确地估算降水粒子下落末速度(W_(t)),为了探究双偏振雷达估计W_(t)的能力,利用广东省龙门地区的雨滴谱数据,建立了W_(t)与S和X波段双偏振雷达观测量的关系,并且将其应用于广州和韶关两部雷达的风场反演。对华南地区2019年4月发生的一次飑线过程进行风场反演试验,分析讨论了此次飑线过程的风场结构配置,并探索了利用不同方法估算的W_(t)在反演出的风场结构上的差异。结果表明:S和X波段雷达通过回波强度(Z H)和差分反射率(Z DR)估算W_(t),其函数形式为幂函数和一次函数,通过Z DR估算的W_(t)均方根误差相较利用Z H估算的W_(t)均方根误差更小、相关系数更大,因此通过Z DR估算的W_(t)的效果更好。此次飑线过程主要从西北向东南方向发展,风场主要是西风和西南风,在飑线前部弓状回波区域内存在明显的辐合区,垂直结构是低层辐合、高层辐散。对比利用不同方法估算W_(t)得到的三维风场,其水平风场变化主要集中在±1 m·s^(-1)的范围,水平经向风速的变化(Δu)主要是正值,水平纬向风速的变化(Δv)主要是负值,垂直方向上风速的变化(Δw)集中在±0.15 m·s^(-1)内,主要是正值,低层Δu、Δv、Δw较高层小。研究结果为降水系统三维风场反演及垂直速度反演提供了参考依据。

随机风谱研究及其在海岸工程应用述评

作为海岸工程重要动力因素之一的风是随机的,但在实际应用中大多仍作为恒定过程考虑。介绍了随机风谱研究的基本状况、理论基础和常用的一些谱形式并进行适当地评述,对今后海岸工程随机风谱研究及应用进行展望,可供海岸工程设计和研究参考。

风场长期观测与数据分析

为了进行风场现场实测研究,对1组风速采集设备的风场长期观测结果进行了分析。基于现场实测数据,得到了10 m和20 m高度处10min平均风速年最大值的风玫瑰图;选取了总时长达75 h的18组大风记录,计算了湍流强度、风剖面参数、剪切波速;拟合了风速谱并与Von Karman谱、欧洲规范谱进行了比较;统计了主风方向湍流积分尺度;对风场的垂直相关性进行了分析。结果表明:实测湍流强度较经验值略大;风剖面参数的离散性大,而且均值与荷载规范取值存在一定差异;实测大风记录拟合风速谱与Von Karman谱和欧洲规范谱吻合良好。

福建省风廓线雷达资料在一次强对流天气过程中的应用

利用福建省永安站的CFL-03边界层风廓线雷达提供的资料,分析了福建省永安市2012年4月11-12日的一次强对流天气过程,结果表明:风廓线雷达水平风资料可以相对连续地反映测站上空风场垂直结构和变化特点,直观而精细地反映出天气过程的演变特征。风廓线实况中的风向风速变化,可指示高空槽和气旋配合过境的情况,判断中低空急流的强弱;强降水出现前风随高度的变化存在着明显不连续现象,风向风速切变明显。这些特征可作为对降水性质、落区、持续时间等作出短时或临近预报的依据。垂直风资料可反映出降水的开始、结束和降水的强度,其波动发展的高度成为判断对流发展强弱的一个重要指标。降水期间功率谱密度出现双峰谱甚至多峰谱,而降雹时间段波束图出现了速度模糊,证明强对流系统通过测站。风廓线雷达对天气发展趋势提供可靠的指示作用。

机载脉冲多普勒雷达湍流信号的仿真分析

为了分析湍流特性和有效地对湍流信号进行检测以及研究地杂波对湍流检测的影响,采用快速傅里叶变换(fast Fourier transform,FFT)对湍流回波信号的风速与谱宽进行了计算,建立了相应的湍流模型,在湍流风速和谱宽的检测中引入了地杂波因素。提出了湍流信号处理的FFT方法,重新定义了湍流的风速和谱宽和最小信号检测门限以及相关变量。仿真结果表明,湍流的风速具有脉动特征,该方法能够很好地估计出湍流风场里的风速分布,无地杂波情况下的湍流回波信号的风速与谱宽要优于有地杂波情况。

一次降雨过程风廓线雷达回波特征

为应用风廓线雷达监测降水天气,通过对2006年南京地区一次春季降雨过程的边界层风廓线雷达探测数据与自动站雨量数据进行对比分析和相关性统计,研究降水发生、维持和消亡期间风廓线雷达资料的变化特征,分析风廓线雷达垂直速度、速度谱宽与降雨强度之间的相关性。结果表明:当降雨临近时,风廓线雷达水平风廓线上的空洞逐渐消失,当降雨结束时空洞再次出现,且伴随着低空急流的出现降水明显增强。随着降雨的发生,风廓线雷达产品的垂直速度、速度谱宽和折射率结构常数值均明显增大。整个降水期间,550 m高度层以下的垂直速度与降水量存在显著线性负相关,450—950 m高度层之间的速度谱宽与降水量存在显著线性正相关,可见垂直速度、速度谱宽的变化与降水强度关系密切;当垂直负速度变小或速度谱宽变大时,降水增强的可能性增大。研究结果揭示了风廓线雷达垂直速度、速度谱宽与降雨强度之间的内在联系,可为风廓线雷达应用于降雨天气监测提供参考。

实测风场的随机Fourier谱研究

根据国内某大桥桥址处实测风速资料,获得了该地区风场10 m高平均风速U10、地面粗糙度z0的统计概率特征,以及纵向脉动风速Fourier谱曲线;基于Kolmogrov理论,提出了随机Fourier谱经验公式,应用随机建模理论和非线性优化技术,获得了实测风场的随机Fourier幅值谱函数以及基本随机变量的概率密度函数。与实测资料Fourier谱样本集合的比较表明,本文建立的随机Fourier谱能够很好地表征实测资料Fourier谱的随机性。同时,通过实测风速资料,进一步验证了本文提出的随机Fourier谱具有很好的通用性。

基于设计基准条件的台风边界层脉动风速谱建模方法研究

利用在博贺峙仔岛观测站实测的台风黑格比数据,在莫宁-奥布霍夫相似理论框架内提出了一种数据驱动的考虑设计基准条件的台风边界层脉动风速谱建模方法。首先基于均匀各向同性湍流能谱需满足的基本模型准则,将六参数脉动风速谱统一模型简化为四参数谱模型;之后基于高频区和低频区脉动风速谱特征建立了四个谱参数的理论表达式,并利用实测的台风黑格比数据将谱参数理论表达式进行参数化处理,进而提出基于设计基准条件的脉动风速谱建模方法;最后利用台风黑格比过程中任意选取的四个1 h时长样本对上述脉动风速谱建模方法进行了验证,表明其与实测样本的风速谱具有较好的一致性。

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。

脉动风速随机过程的正交展开

根据脉动风速功率谱的两种不同统计方法,定义了脉动风速Davenport谱的等价功率谱。在此基础上,构造了虚拟脉动风位移随机过程。利用Karhunen-Loeve分解的基本原理,对虚拟脉动风位移随机过程进行正交展开,进而获得脉动风速随机过程的正交展开表达式。研究的主要目的在于:希望用少量的独立随机变量来描述脉动风速随机过程的主要概率特性,为工程结构的抗风动力响应分析及动力可靠性研究奠定了基础。实例分析表明,本文的研究思路是可行的。

中、美、澳荷载规范关于脉动风特征的规定

结合中国、美国、澳大利亚三国规范中的相关规定,对脉动风湍流强度、湍流积分长度以及脉动风速功率谱进行了比较。对比分析表明:由中国规范推导出的湍流强度远远小于美国、澳大利亚规范的相关规定;中国规范选取的湍流积分长度不随高度变化,而美国、澳大利亚规范选取的湍流积分长度随高度的增加而增加,在相同高度处,中国规范所选取的湍流积分长度值介于美国、澳大利亚规范之间;在一般建筑物自振频率范围内,中国规范所采用的脉动风速功率谱谱值比美国、澳大利亚规范规定的谱值大。

开放式风速控制系统的研制

在海洋工程结构动力模型模拟试验中,为了实现开放环境下风荷载的实验室模拟,研发了一套开放式风速模拟控制系统;简要介绍了系统的整体结构设计和软件开发流程;由于在开放环境下进行风速的控制容易受到外界气流、温度等环境因素的影响,控制难度大且建模较困难,采用专家-模糊自适应PID控制算法,能够较好地跟踪目标风速,实现了对风速的实时模拟控制;最后通过实验验证了所设计的开放式风速控制系统能够满足实验要求。

雷暴风三维脉动风速场数值模拟

基于壁面射流模型,将雷诺应力模型(RSM)计算得出的Reynolds应力张量引入Letchford谱和Panofsky谱,利用大涡模拟(LES)计算得出的脉动风速结果对其进行验算.对偏差较大的风谱函数进行进一步修正,得到与LES计算结果较吻合的自功率谱函数.结合随机流场生成技术和快速傅里叶变换技术,提出满足不可压缩条件和点相干函数的适用于雷暴风三维脉动风速场的高效的数值模拟方法.为了验证该方法的合理性,选取流场中水平径向风速较大处在高度方向上逐点生成三维脉动风速,对每个点的模拟结果从自功率谱函数和时间相关函数两方面进行验证.模拟值与目标值的吻合效果良好,说明采用提出的方法可以高效、准确地模拟出雷暴风的三维脉动风场.

具有时变功率谱的非高斯随机过程的数值模拟

为了有效地模拟具有目标时变功率谱特征的非高斯随机过程,即非平稳非高斯随机过程。提出了基于目标时变功率谱和目标非高斯概率密度函数,通过建立非高斯与高斯随机过程之间相互转换的非线性平移关系,以及非线性平移前后高斯与非高斯随机过程的功率谱或相关函数的转换关系,将非平稳非高斯随机过程转化为非平稳高斯随机过程的模拟;而非平稳高斯随机过程可通过谱表示进行有效的模拟。为了验证该方法的有效性,进行了具有目标非平稳非高斯特征的脉动风速模拟;模拟结果表明:模拟生成的脉动风速样本的功率谱具有时变特征,且瞬时功率谱和相关函数均与目标相吻合;任意时刻脉动风速样本的概率密度函数与目标非高斯函数相互吻合;因此,模拟的随机样本不仅具有目标时变功率的非平稳特征而且还具有目标概率密度函数的非高斯特征,说明了该非平稳非高斯随机过程模拟方法的有效性。

机载雷达三维空间湍流场产生与仿真分析

为有效分析机载雷达湍流场产生机理以及在有因次和无因次条件下的湍流变化规律,利用快速傅里叶变换三维对称特性产生出三维零均值高斯噪声,结合Von Karman模型建立了空间三维湍流场模型,并提出了一种机载雷达湍流信号的处理算法。在三维湍流场计算机仿真中引入了湍流尺度和湍流强度参数。仿真结果表明,产生的三维湍流场能较好地符合实际情形,可以满足机载雷达对湍流目标检测的飞行仿真要求。此外,在有因次情形下的湍流变化规律与无因次情形下基本是一致的,但其波动幅度要大于无因次情形。

脉动风速互随机Fourier谱函数

为了在随机Fourier谱中考虑风场的空间相关性,首先在经验物理关系的意义上定义了互随机Fourier谱,其表达式由两个随机过程的随机Fourier谱和一个可以反映风场空间相关性的随机相干函数组成;然后,利用现场实测风速资料,研究并建立了实际风场的随机相干函数的经验物理模型;最后,基于假设检验理论,确定了互随机Fourier谱函数中基本随机参数及其概率密度信息。实例表明,建立的互随机Fourier谱函数可以在概率的意义上很好地表征实际风场的空间相关性。

基于随机Fourier谱的风场仿真

研究了由随机Fourier谱生成具有特定场地风荷载统计特性的样本函数的问题.首先对随机风场模型进行了描述,然后利用谐波合成的方法,在对互随机Fourier谱矩阵进行Cholesky分解的基础上,通过一组余弦函数的和对随机脉动风速场进行了模拟.最后,结合一20层平面框架结构纵向风速场的仿真问题进行了数值仿真研究.算例表明,所提算法可以准确地模拟给定场地特性的脉动风速时程.

相干测风激光雷达中多核DSP并行风速反演算法的实现

针对高重复频率相干测风激光雷达中风速反演时数据量大、计算量大、实时性要求高等问题提出了基于多核数字信号处理器(DSP)的并行风速反演算法。该算法的核心思想是,利用高速数据处理板卡DSPC-8681上的4颗8核DSP处理器采用单指令多数据流的方式进行并行计算和同步,使用最大似然离散谱峰值计算出视向风速。在激光脉冲重复频率为10 k Hz的条件下实现了相干测风激光雷达中实时的风速反演。通过实验验证,激光雷达的视向探测距离达到3 600 m,距离分辨率为60 m,风速测量范围为±30 m/s,时间分辨率为1s,转动圆盘校准的速度测量精度优于0.48 m/s。