非均匀风场与急流强迫的水体涡旋动力特征模拟

通过数值模拟有限区域水气界面由强迫作用驱动形成的水体涡旋及环流动力结构特征,分析非均匀风场、水体急流、两者叠加以及环境边界和地转偏向力等因子的综合影响,探讨此类水体涡旋结构和动力特征。风应力驱动的水体涡旋尺度大,相对深厚,正涡旋具有下凹表面,负涡旋具有上凸表面。水体急流驱动的涡旋形成在急流两侧,对应急流所在深度及厚度尺度相对较小,也较浅,但流速与强度均大于风场驱动的涡旋环流。地形阻挡起着引导涡旋环流走向的作用;同时在北半球地转偏向力对急流侧向负涡旋形成和强度增强更为有利。此外正涡旋对应的辐合辐散势函数强于负涡旋,有利于正涡旋区垂直上升运动强于负涡旋中垂直下沉运动。非均匀风场及水体急流两种强迫叠加作用下,涡旋数量增加、尺度减小,底层的流场形态及强度与表层差异增大。形成的水体涡旋结构呈现多种形态:深厚的整层一致;浅薄的仅维持在上层,或上下层环流相反等。风应力驱动的涡旋以正压性为主,水体急流驱动的涡旋因急流的垂直强切变而具有强的斜压性,在正斜压动能的转换中,正压性涡旋区有斜压动能向正压动能转换,斜压性涡旋区有正压动能向斜压动能转换,均有利于这两个区域正负涡旋的维持。

重力波波包在水平风场中非线性传播的数值模拟——Ⅱ.水平风场为非均匀风场

采用全隐欧拉格式(FICE)对重力波波包在非均匀风场中的三维非线性传播进行了数值模拟,给出了波包在三维空间中非线性传播的过程,分析了重力波的传播特性及风场对重力波传播的影响.计算结果表明:波振幅随高度的增加而增长,但比线性条件下的指数增长要慢;重力波在剪切风场中非线性传播时垂直波长随高度的增加而减小.

非均匀风场对大跨度悬索桥颤振性能的影响

为研究非均匀风场对桥梁颤振稳定性的影响,以某大跨度悬索桥为工程背景,建立风速空间分布计算模型。引入脉冲响应函数和有理函数,对桥梁断面自激力建立模型,并拟合了有理函数参数。通过有限元分析软件ANSYS进行时间积分,计算出桥梁运动量,实现了颤振时域分析,并与风速均匀分布情况下桥梁颤振稳定性进行了对比。研究结果表明:风速不均匀能够显著影响桥梁发生颤振时的位移。越靠近风场中心,位移响应峰值越大。风速向跨中位置集中分布会降低桥梁的颤振稳定性。考虑风速不均匀分布能够为准确评估桥梁的颤振稳定性提供一定的依据。

基于波数-频率联合演变功率谱的一维空间非均匀脉动风场模拟

在高层建筑、大跨桥梁和大型风力发电系统等大型工程中,风荷载对结构的安全性至关重要、甚至是起控制作用的要素。因此,脉动风速场的模拟具有重要意义。谱表达方法得到了广泛的应用。但经典的谱表达方法需要对互功率谱矩阵的逐个频率点进行Cholesky分解或本征正交分解(POD),当模拟的空间点数较多时,分解效率非常低下、甚至可能出现矩阵奇异而难以实现。基于波数-频率联合功率谱或联合演变谱,不需要Cholesky分解或POD,可以方便地实现均匀或非均匀脉动风场的模拟。当模拟点为等间距点时,该方法能够使用FFT技术提高模拟效率,而当模拟点为非等间距点、不能使用FFT技术时,模拟效率依然有待提高。鉴于此,该文引入"结构化"非均匀离散方法和"舍选法"思想,建议了二维波数-频率域的非均匀离散策略,显著地提高了模拟效率。以某桥塔的一维空间非均匀脉动风场的数值模拟为例,验证了该方法的有效性。