下击暴流风冲击作用下输电塔非平稳动力响应的频域方法

下击暴流是强对流天气下的一种局地极端风,具有尺度小、风速大、突发性等特点,是导致输电线路风灾破坏的主要原因之一。开展下击暴流风冲击作用下输电塔风振响应的计算理论研究具有重要的意义。论文依据时变平均风和非平稳脉动风场的理论模型,给出移动下击暴流冲击风荷载在时域及频域表达式;继而基于随机振动理论,推导建立了输电杆塔非平稳脉动风振响应的频域解析方法,再通过首次超越极值理论,给出了非平稳下击暴流作用下输电杆塔响应极值的精确分布。进一步,论文探讨了将原有不同步非平稳下击暴流脉动风激励视为同步且慢变过程近似结果的精确性,并在此基础上提出了平稳等效的极值分布和峰值因子的实用简化计算方法。论文采用随机样本的有限元瞬态动力分析结果,检验了上述频域理论方法的精确性。研究表明:该文提出的非平稳响应极值分布的理论解精确性高、同步慢变激励简化得到的等效平稳方法计算便捷且结果略偏保守。该文研究为推动建立输电杆塔抗下击暴流设计体系提供了计算理论基础和技术支撑。

金沙江下游峡谷一次飑线和下击暴流的机理分析

产生极端灾害性大风的飑线对水电站安全至关重要。本文以2016年6月4日金沙江下游白鹤滩水电站峡谷产生13级大风的飑线为例,从天气系统和中小尺度上讨论其形成机制。获得以下结论:(1)飑线到达前,受飑前低压影响水电站气压稳降了9 hPa,气温上升超过14℃。飑线到达时受雷暴高压作用1 h内气压陡升10 hPa,气温骤降超过10℃,相对湿度陡增到70%,伴随短时降水发生。飑线过境后以上要素恢复到原值。(2)天气尺度环流的分析发现,飑线当天水电站在高空急流入口右侧辐散和低空西南涡南侧切变辐合的耦合作用下,次级环流的上升运动为飑线深对流提供了环境背景。飑线前中高层干冷平流叠加在中低层暖湿平流上,加上低空强烈升温增加了气温直减率,积累了对流发展的静力和对流不稳定,为飑线长生命提供了有利环境条件。垂直风速显示峡谷的上空下沉运动增强了动量下传,促进飑线前侧的抬升,正反馈作用下促进风暴稳定发展。(3)昭通雷达探测表明,飑线中30 dBZ以上多单体紧密聚合成带状回波,镶嵌着超过10 km高度柱状发展的50 dBZ以上强回波核。径向速度场上,垂直于峡谷的中尺度辐合线与带状强回波吻合,是飑线的触发机制,对应深厚的中层径向辐合MARC(Mid-Altitude Radial Convergence)特征。在云体剖面结构上,飑线前强上升运动形成穹窿,飑线到达时高悬的回波核快速下降,形成下击暴流,并诱发顺着河谷的新单体生成,改变了飑线走向,形成顺着的峡谷的极端大风。

稳态下击暴流风场竖向空间相关性试验研究

为研究下击暴流水平风速的竖向相关性,采用冲击射流装置模拟了稳态下击暴流风场,测量了不同径向位置、竖向距离、地貌条件以及射流速度下的水平风速,重点分析了水平风速的竖向相关性和相干曲线,提出了稳态下击暴流风场的相干函数模型。结果表明,相关系数随径向距离的增加而先增大后减小,最大相关系数出现在r=1.0 D_(jet)附近,地面粗糙度和射流风速对相关系数影响较小。相干函数与测点的竖向间距密切相关,径向位置和射流风速对相干函数影响较小,地表粗糙度的增加会降低近地测点的相干性。基于试验数据,建立了稳态下击暴流竖向相干函数模型,实现了与试验风场较好的吻合。

输电线路下击暴流强风荷载最不利工况研究

对流天气引起的下击暴流已经成为我国中东部地区输电线路风灾破坏的主要原因。下击暴流风场的特异性造成现有规范无法适用,开展下击暴流输电线路设计风荷载的研究成为提高电网安全性亟待开展的课题。介绍了下击暴流的数学风场模型并用于计算输电线路风荷载,采用非线性有限元方法对杆塔受到的导线风荷载开展了风场及线路结构参数分析,着重考察了最大导线风荷载对应工况。研究结果表明:(1)直线塔与耐张塔最大横向荷载值相同,但后者最大纵向荷载值显著大于前者;(2)直线塔的最大横向荷载和纵向荷载塔位分别出现于八跨输电线路的端部和次端部直线塔,耐张塔则出现于四跨输电线路;(3)最大导线风荷载与出流直径、中心相对位置、塔位及跨数密切相关,均存在特定的最不利工况。通过对风荷载影响因素和分布规律的总结,最终给出了三种代表性最不利导线风荷载工况的归一化风场参数,为输电线路抗下击暴流导线风荷载的合理取值提供了数据支撑。

1.55μm激光雷达高原机场下击暴流探测应用研究

为了探究激光雷达在湿下击暴流天气时的风场探测效果和低空风切变识别能力,采用多元资料结合具体事件进行理论分析和数据验证的方法,利用西宁曹家堡国际机场的测风激光雷达数据,结合地面观测记录,对2021-05-18的一次湿下击暴流过程进行了分析和研究。结果表明,下击暴流具有复杂的风场结构,主体到达机场前,首先造成了超过14 m/s的外流,并与环境风耦合形成逆风切变辐合线,且最强外流区位于辐合线后侧1 km~2 km;下击暴流抵达跑道上空时,造成了地面辐散风场,辐散中心风速远小于外流边缘且垂直气流存在着剧烈变化,下击暴流共持续约10 min;测风激光雷达对雷暴云内部垂直气流分布、跑道区域下击暴流辐散风场的水平和垂直结构以及地面风场辐合线的形成和演变均有良好的识别效果,交互使用雷达不同探测模式和数据产品有利于机场低空风切变的监测和预警。该研究为激光雷达在下击暴流风切变预报和研究中的应用提供了参考。

辽东半岛一次湿下击暴流过程分析

2020年9月11日辽东半岛南部发生了一次强对流天气,并出现了湿下击暴流,大连金州得胜站地面最大阵风达到21.7 m·s^(-1)。本文利用常规气象资料、大连多普勒天气雷达资料、欧洲中期天气预报中心第5代全球再分析资料和高分辨率中尺度数值模拟资料,对此次湿下击暴流天气过程的环流背景、对流风暴发生发展环境及其回波特征等进行分析。结果表明:(1)此次强对流天气发生在北上台风变性形成的高空冷涡东部西南风与东南风的切变线上,地面辐合线和低空急流是触发初始对流的直接系统,初始对流在高空辐散耦合作用下发展加强;对流系统西移登陆至地面冷池与其东部暖空气之间形成锋生带上,辐合抬升作用加强,促使对流系统组织化程度更高、强度更强。(2)高温、高湿、对流不稳定层结是对流系统发生发展的有利环境条件。强对流发生前,探空曲线“上干下湿”、呈“V”型分布,抬升凝结高度明显下降;湿下击暴流发生时,径向速度垂直分布为中层径向辐合、低层辐散;瞬时大风出现前后,大连多普勒天气雷达在高、低仰角均探测到超过45 dBZ强反射率因子缺口,高仰角强反射率因子缺口先于低仰角出现,通过监测高仰角强反射率因子的变化,对湿下击暴流有一定的预警作用。

浙江一次连续下击暴流的多普勒雷达特征与成因分析

利用常规高空、地面观测资料、ERA5再分析资料(0.25°×0.25°)、多普勒雷达产品对2020年3月21日浙江连续下击暴流的多普勒雷达特征及成因进行分析。(1)此次过程发生在中高层西南急流、地面低压倒槽强烈发展的环流背景下,为低层暖平流强迫型强对流。整层大气湿层浅薄,近地面逆温和中层干冷增强了上干冷下暖湿的不稳定层结,高空强垂直风切变有利于强风暴的形成和发展,地面中尺度辐合线在高温背景下触发了此次过程。(2)连续下击暴流由2个多单体风暴造成,两个风暴均呈现“弓形”特征,具有中层回波悬垂、有界弱回波区、三体散射等特征。单体K0中极端大风出现在最大反射率因子高度、风暴顶高、VIL下降阶段,而单体Y5中极端大风出现时风暴顶高、最大反射率因子高度、反射率因子核高度稳定少变。(3)10级以上下击暴流主要出现在涡度平流强烈发展、中层有弱冷空气入侵阶段。单体K0中致灾下击暴流主要由冰雹的拖拽作用产生,而单体Y5中致灾下击暴流由冰雹和短时强降水共同的拖拽作用产生。

宜昌市远安县一次下击暴流中尺度分析

为进一步探究宜昌市复杂地形下下击暴流的形成机制,利用常规气象观测资料、区域站观测资料、FY-4B卫星资料和多普勒天气雷达资料,对2023年8月22日湖北省宜昌市远安县一次下击暴流过程进行分析。结果表明:①此次下击暴流伴随着气压陡升、气温骤降、风向突变、风速骤增的现象,发生在高空冷槽后部偏北气流控制下,垂直方向呈现“上冷下暖”的不稳定结构,中尺度地面辐合线、午后的加热、冷空气的侵入共同触发了当日的对流;②中尺度对流云团的发展、合并造成了远安县此次强对流天气,下击暴流的产生同时伴随云体结构快速坍塌及云顶温度骤降的特征;③此次下击暴流显示以传播方式触发新生对流的多单体强风暴特征,且出现深厚的中层径向辐合、回波悬垂及有界弱回波特质。差分反射率因子柱(Zdr柱)、差分相位常数(Kdp)缺值区等双偏振参数特征对当日对流天气具有一定指示意义。

湖南衡阳“4.04”强下击暴流预警关键点及环境条件分析

2023年4月4日下午湖南衡阳出现一次强下击暴流过程(简称“4.04”强下击暴流),造成严重灾害。利用常规气象观测、多普勒天气雷达、NCEP1°×1°再分析等资料对该过程极端大风的预警关键点与环境条件进行分析。结果表明:(1)“4.04”强下击暴流发生在“斜压锋生类”天气系统配置下,地面冷锋提供了触发条件。探空曲线上干下湿特征明显、大气对流参数及订正后的对流有效位能表现出明显的不稳定特征,垂直风切变强,利于极端大风发生。(2)中尺度对流系统(MCSs)弓状回波扫过衡阳,造成区域性下击暴流;极端大风发生在对应风暴单体快速移动时,最大反射率因子达60 dBz,垂直积分液态水含量及质心高度快速下降;反射率因子具有明显倾斜结构,弓状回波、后侧入流急流、径向速度模糊特征明显;低仰角“非对称速度大值区”和“速度对纯辐散”是极端大风预警关键点。(3)强下击暴流发生在斜压锋生类天气系统配置下,地面冷锋提供了触发条件。探空曲线上干下湿特征明显、大气对流参数及订正后的对流有效位能表现出明显的不稳定特征,垂直风切变强,利于极端大风发生。(4)强下击暴流对流潜势明显,低层水汽通量辐合强、比湿大;具备一定的热力不稳定及垂直上升运动条件,且有低层辐合、高层辐散与之配合;冷空气对本次过程发生发展起到了重要作用。

一次由海风锋激发的下击暴流天气过程分析

利用珠海市地面自动站观测资料、MICAPS资料和横琴X波段双偏振相控阵雷达资料,对珠海市一次由海风锋激发的下击暴流天气过程进行分析,结果表明:(1)该次下击暴流过程发生前,大气层结呈现“上干下湿”结构,温度垂直递减率大,CAPE大,环境条件有利于雷雨大风天气发生;(2)该次伴随下击暴流的强对流系统主要由珠海东部沿岸形成的海风锋触发,并伴有中气旋出现;(3)下击暴流发生前,处于低层反射率大值期,X波段相控雷达可以清晰观测到强反射率因子下降、中层径向速度辐合、近地面气流辐散等现象。

下击暴流形成机理及监测预警研究进展

下击暴流指对流单体强下沉气流引发的地面或地面附近的爆发性辐散出流,单个下击暴流会导致千米尺度地面强阵风,而下击暴流簇可导致较大范围间断性地面灾害性强阵风,其形成机制亦不限于强下沉气流辐散。文章回顾了下击暴流的界定,然后分为孤立风暴产生的下击暴流和中尺度对流系统内嵌的下击暴流两种情况进行讨论,内容包括对流大风和下击暴流产生的物理机理、风暴结构特征以及基于多普勒天气雷达的预警技术。在上述回顾基础上,对下击暴流形成机理及监测预警难点进行了讨论,提出了与下击暴流相关的亟需研究的问题。

下击暴流引发局地强沙尘暴天气过程的诊断分析

利用地面、高空气象观测资料和雷达、探空等多源气象观测资料,对内蒙古巴彦淖尔市一次雷暴大风引发局地强沙尘暴天气过程进行诊断分析。研究结果显示:“上冷下暖”的大气层结及低层系统性辐合上升运动为此次沙尘暴天气的发生提供了不稳定能量和动力条件;中层湿、高层与低层干的“X”形大气层结构易产生雷暴大风天气,同时有利于下击暴流的出现,也是此次出现沙尘暴天气的原因;反映下击暴流形成的雷暴高压和地面冷池的强弱变化的1 h正变压和负变温变化,也可作为判别地面大风沙尘强弱的判别依据;雷达图上的速度模糊、阵风锋可直接预报雷暴大风天气,同时风廓线图出现平均风速从1 000 m下降到600 m时的迅速增大,也可作为地面大风的判别指标。

移动型下击暴流作用下定日镜动力响应特性研究

为研究移动型下击暴流作用下塔式太阳能定日镜的风振响应特性,文章以中国某塔式太阳能光热发电站定日镜的有限元模型为基础,进行了动力特性分析,模拟了作用于定日镜的下击暴流脉动的风速时程,采用Newmark-β法分析了下击暴流风场作用下定日镜的风振响应。研究结果表明:不同工作仰角的定日镜处于距离下击暴流中心1倍出流直径左右时,风致位移响应峰值和风致应力响应峰值最大;相比于0°,45°和60°仰角,定日镜仰角为30°时,镜面峰值位移最大,各部件的应力峰值也最大,且都小于相对应材料的屈服强度;定日镜在不同仰角下,镜面最大位移发生在最上部单元子镜,镜面背部桁架最大等效应力均小于扭力管及立柱的最大等效应力。

基于物理模拟的不同射流倾角下击暴流风场特征

利用物理模拟器生成下击暴流风场,研究了射流倾角对风速、气压等下击暴流风场特性的影响。结果表明:下击暴流风场同时具有水平风和竖向风,当存在射流倾角时,下击暴流风场对称性消失,下击暴流背侧竖向风速峰值大于前侧,且背侧竖向风速随倾角的增加而增大,射流倾角达到20°时,背侧竖向风速峰值比无倾角时增加67%;前侧水平风速峰值大于背侧,且前侧水平风速随倾角的增加而增加,射流倾角达到20°时,前侧水平风速最大比无倾角时增加50%,背侧水平风速则快速减小。随射流倾角的增加,出流下方区域正压值增加,其余位置受倾角的影响不大。

低矮异型建筑立面洞口对下击暴流风压作用的影响研究

为了研究下击暴流的风场特性及其对建筑物的作用,文章采用雷诺时均NS方程(Reynolds-averaged Navier-Stokes equations,RANS)模拟下击暴流风场,在最大风速位置和来流风垂直于建筑立面情况下,对凹型、T型、L型3类异型低矮建筑内外表面所受风压的分布特点进行研究,并与立方体型建筑对比,重点分析立面洞口设置方式对风压分布的影响。结果表明:对于3类异型建筑,洞口位置变化对外表面风压系数影响较小,对内表面风压系数影响较大,其中迎风面开洞对内表面风压系数分布影响最显著,而穿堂风是导致内表面风压系数降低的主要原因;当前后两面开洞时,迎风面居中靠近洞口上、下缘位置风压系数存在骤增和骤减现象,凹型建筑洞口上、下缘风压系数差值最大,为0.288,而T型建筑洞口上、下缘风压系数差值最小,为0.137;凹型、L型建筑5种洞口模式之间迎风面横向中线处风压系数差异较小,而T型建筑5种洞口模式下该处风压系数差别较大;与封闭模式相比,单面开洞时,凹型、T型和L型建筑屋面内外风压合力下合风压系数增幅最大,分别为348.6%、493.6%、250.7%。

CAARC高层建筑标准模型下击暴流风洞试验

为研究CAARC高层建筑标准模型在下击暴流作用下的响应,采用所开发的基于边界层风洞的下击暴流出流风速模拟试验装置模拟下击暴流稳态风场和瞬变风场,设计并制作了几何缩尺比为λL=1∶200的CAARC气弹模型,分别在下击暴流稳态风、瞬态风以及大气边界层B类风场条件下进行了风洞试验研究.结果表明:所模拟的稳态下击暴流风速剖面与经验风速剖面较为吻合;所模拟的瞬态下击暴流风速时程特性、湍流度与已有文献推荐值总体较为吻合;CAARC高层建筑标准模型在稳态、瞬态下击暴流风场作用下,顶部x、y方向位移时程波动较大,与大气边界层B类风场作用下位移时程存在明显差异.

下击暴流作用下悬浮抱杆的风振响应分析

为准确评估下击暴流作用下输电塔施工场地抱杆的安全性能,采用有限元方法分析了悬浮抱杆的风振响应特性.基于确定性-随机混合模型,通过改进的随机波数谱方法模拟移动下击暴流的全过程风速,计算得到了悬浮抱杆在下击暴流作用下的风振响应.结果表明:悬浮抱杆在移动下击暴流的作用下将发生大幅摆动,同时主体结构出现弯曲变形,其中抱杆中段的顺风向位移幅值可达1.388 m,外拉线拉力最大值为45.11 kN,承托绳的最大拉力为47.06 kN,悬浮抱杆主体结构的最大位移及拉线的最大拉力均在下击暴流中心距离悬浮抱杆1100 m附近时出现.可见,下击暴流作用下悬浮抱杆易产生较大的风振响应,将对输电塔的施工安全产生不利影响,有必要采取相关的加固与减振控制措施.

下击暴流不同高度水平最大风速对风力机气动载荷的影响

以理论解析模型结合IECKAI谱构建下击暴流三维脉动风场,将其作为OpenFAST代码的来流输入条件,计算并分析风轮和塔架的气动载荷。结果表明:当下击暴流水平最大风速对应的高度变化导致风轮平面内全部为负的风剪切来流时,风轮的推力和转矩最小;当水平最大风速对应的高度从风轮扫掠面底部到顶部位置变化时,与最小值相比,风轮的横向力、纵向力、倾覆力矩和偏航力矩系数均方根的最大值分别增大29.01%、30.00%、38.79%和38.93%,在距离塔基19%的截面位置处,塔架前后方向气动阻力系数平均值的最大值增大5.6倍。

温州地区台风和下击暴流风场特征观测研究

利用风廓线声雷达在温州大罗山西北部的茶山地区从2019年4月到2021年9月对台风“利奇马”、“米娜”、“黑格比”以及2个下击暴流风场进行实测,获得了台风、下击暴流影响时的边界层风速剖面演变过程。比较各风场边界层规律:台风风场边界层最高,下击暴流次之,常态风场边界层最低。在台风中心30~129 km范围内,边界层高度沿气旋半径向外呈先增大后减小再增大的趋势。验证了二阶高斯拟合模型对于台风风场风剖面形态的适用性,实测台风近地50~400 m高度层均表现为D形风剖面,根据不同的参数取值,可以很好地拟合台风上部的S形风剖面。总结下击暴流风场演变过程的3个阶段:高层大风,影响时低层强风切变,影响后回归高层大风。验证了三阶高斯拟合实测模型与Oseguera与Bowles模型、Vicro模型、Wood与Kwok模型对于描述下击暴流风剖面形态的差异性。发现了滨海丘陵地形下实测的下击暴流风速均在100~400 m高度层先递减后递增。分析了台风风场与下击暴流的水平垂直方向风速相关性的差异,即台风风场与下击暴流分别在90~200 m、50~400 m高度层水平与垂直方向风速为正相关,均在近地层突变为负相关,比值分别大于0.5和5。

2017年7月29日宜昌三峡坝区一次下击暴流过程的中尺度分析

利用常规气象观测资料、区域站观测资料、EC再分析资料、FY-2G卫星资料和雷达资料,对2017年7月29日湖北宜昌一次下击暴流过程进行了中尺度分析。结果表明:(1)此次下击暴流过程发生在副热带高压(以下简称副高)边缘,宜昌北部对流由冷空气触发产生,中部对流由冷空气绕流产生的偏东气流受宜昌西部山区地形抬升触发产生。(2)下击暴流过程中伴随着气压陡升、气温骤降、风向突变、风速骤增的现象,气压突增和风向突变比风速骤增提早10 min左右出现。(3)卫星云图显示大风出现的位置基本上在云团传播方向前沿云顶亮温梯度最大的区域。(4)本次过程呈典型的脉冲风暴特征,初始雷达回波强度较强,高度位于4~6 km,回波形态直立,且在地面大风出现前10 min左右有明显的中层径向辐合特征(MARC)。(5)回波受长江河谷地形阻挡以及副高的阻挡作用,在长江河谷移动缓慢,因此维持时间较长,并且出现两次加强,一次为回波合并加强,一次在三峡坝区附近受局地的热力和动力辐合作用加强。