台风湍流积分尺度与脉动风速谱——基于实测数据的分析

基于4个台风过程中的长时间序列风速、风方向观测数据,分析研究了近地台风的湍流积分尺度和脉动风速谱等脉动特性。介绍了湍流积分尺度的几种常见的计算方法,基于实测台风数据,分析研究了台风过程中湍流积分尺度的变化以及不同计算方法的稳定性。根据实测数据计算了纵向脉动风速谱,并与Von-Karm an谱、Davenport谱、S im iu谱和Harris谱等经验谱进行了比较,给出了最适合描述台风纵向脉动风速谱的经验谱。还计算了横向脉动风速功率谱,并与基于各向同性湍流理论推导出的水平横向脉动风速谱进行了对比。

复杂山地环境下脉动风速谱研究

进行了8种坡度下单个三维山体的模型风洞试验,讨论了山体各位置脉动风速谱的变化规律,以及坡度对脉动风速谱的影响.结果表明:背风面山脚0.8 h高度以下位置,脉动风速功率谱与来流风速谱相比,功率谱峰值明显增大,峰值频率向高频移动,单峰特征明显,频带变窄.除此以外的背风面其他位置、迎风面以及山顶位置的脉动风速功率谱与来流风速谱基本一致.提出了山体背风面脉动风速能量由来流湍流能量和山体尾流涡旋能量构成的思想,将来流脉动风速谱与涡旋谱进行分离,并根据试验数据拟合,提出了保守的涡旋谱的计算公式.根据不同坡度山体的试验,得出了0.5为涡旋产生与否的临界坡度.

随机脉动风场作用下输电塔线体系的动力响应分析

输电杆塔及塔线体系(简称塔线体系)是整个电力系统中输电环节的核心部分,沿海地区的强风对塔线体系有着重要影响。为研究在随机脉动风场作用下塔线体系的动力响应特性,文中以广东某地区的1W2C9型鼓型自立式输电杆塔为研究对象,建立输电杆塔的单塔及一塔两线的塔线耦联有限元模型,结合Davenport风速谱与四阶自回归法模拟具有空间相关性的单塔9节点及塔线体系49节点的脉动风场,研究在此脉动风场下的单塔及塔线体系的动力响应,并探究不同风向角对其动力响应的影响。研究结果表明:单塔及塔线体系的动力响应最大值大于其拟静力响应;由于塔线耦联效应的存在,输电线会增加塔线体系的稳定性,降低其动力响应;90°是输电杆塔单塔及塔线体系动力响应的最不利风向角。

基于台风“海葵”实测的近地脉动风速功率谱及相关性研究

基于上海浦东机场实测基地测风塔上10 m及30 m高度处台风"海葵"的现场实测数据,对台风"海葵"过境上海时的脉动风速功率谱和各向脉动风速分量之间的相关性进行了详细研究。研究表明:台风"海葵"脉动风速功率谱总体与Von Karman谱吻合良好,Von Karman谱能够较为准确的描述上海浦东地区的湍动能分布特性;风速谱值对平均风速的变化较敏感,高风速时段在惯性子区内具有更高的湍动能。实测互谱在低频和高频段均与Kaimal修正谱符合较好;互相关系数ρ_(uw)在各高度处随平均风速的变化基本保持稳定,而互相关系数ρ_(uv)和ρ_(vw)在各高度处随平均风速的变化离散性相对较大;随着观测高度的增加,互相关系数ρ_(uw)的负相关性逐渐减小。

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。

基于演化相位谱的脉动风速模拟

基于理性分析,提出了一种演化相位谱模型,并由此发展了脉动风速模拟方法。根据湍流中不同频率涡旋的特征速度,提出了相位演化速度这一概念,进而说明具体的风速时程可由所有初始相位为零的涡旋经过时间Te演化而来。通过对实测脉动风速Te值的识别和统计,给出了Te的概率分布。据此,可以得到演化相位谱的样本,结合Fourier幅值谱,应用逆Fourier变换便可进行脉动风速模拟。所建立的演化相位谱模型是对Fourier相位谱的一种理性描述,可用于各种结构抗风计算及可靠度分析的风荷载模拟当中。

脉动风速随机Fourier波数谱研究

从物理机制出发,建立了具有扎实物理基础的脉动风速随机Fourier谱模型.首先,基于大气湍流物理图景,阐述了湍流中的涡旋尺度和风速能谱不同子区的对应关系.以脉动风速在剪切含能子区和惯性子区所符合的不同幂次规律为基础,建立了随机Fourier谱模型,指出上述两个子区分界波长lc对应实际物理过程中含能大涡尺度和平衡范围涡旋尺度的分界值.本质上,lc是一个随机变量,影响lc的主要因素是湍流涡量和剪切率的比值.利用实测数据,建立了lc和剪切率以及Fourier谱模型中各参数的关系.最后,以地面粗糙度和10min平均风速为基本随机变量,湍流强度为牵连随机变量,得到了分界波长的分布以及以双线性函数为特征的随机Fourier波数谱.理论预测结果和实际观测结果符合良好.

多点Kaimal谱激励输电塔脉动风荷数值模拟

以随机振动理论及实测风速数据为基础,应用Kaimal谱模拟风速湍流,通过傅立叶频谱变换得到各点风速功率谱曲线,并应用ANSYS实现脉动风的数值模拟。在ANSYS中对输电塔结构进行结构动力特性分析,得到输电塔各节点风振位移及加速度时程曲线等数值模拟结果,数值模拟结果与现场实测结果接近。

顺风向脉动风速功率谱密度函数的分析研究

1、前言脉动风是风的动力成份,它是一种随机荷载,引起结构的随机振动。脉动风的数学模型包括概率分布特性、功率谱密度函数和空间相关性。脉动风速功率谱密度函数反映了紊流能量在频率域的分布状况。

脉动风风速谱及空间相关性研究

总结了脉动风速功率谱及空间相关性系数的各种经验公式的形式,使用场合及存在的问题,讨论了在大跨桥梁及大跨空间结构风场模拟时应注意的空间相关性问题,为脉动风风速谱及空间相关性的进一步研究提供了理论基础。

基于高海拔实测风速的脉动风速功率谱研究

为提升高原山地风电场设计的准确性,需要获取适合当地环境的脉动风速功率谱。基于四川省高原山地地区实测风速数据,提出了适用于当地高原山地风电场的水平脉动风速谱修正模型,通过有效性验证,修正后的谱函数更能反映该地区风的脉动特性,拟合效果得到明显提升。同时针对Davenport谱、Harris谱、Karman谱等常用经验风谱与实测风谱进行了对比分析,常用风谱在低频段高于实测风谱,而高频段低于实测风谱。随着平均风速增加,常用经验风谱拟合效果有所提升,但修正风谱拟合效果明显优于常用经验风谱。

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。

高层建筑风场的脉动风速时程模拟

采用经过FFT算法改进的谐波叠加法(WAWS)及自回归(AR)模型的线性滤波法对实际工程进行脉动风速时程模拟.对2种算法所模拟的风速时程进行分析,结果显示了风速功率谱及相关函数的特性,分析结果说明AR模型中模型阶次及时间步长对风速时程产生较大影响.根据结构的有限元动力分析,采用能量相等的原则,即使结构固有频率段内的目标谱和模拟谱能量相等,对风速时程进行修正,使模拟风速时程更趋合理.

衰减系数对移动列车脉动风速谱的影响

文章采用多变量随机过程模拟,利用谱解法模拟了移动列车的脉动风速时程。针对Davenport,通过采取不同的衰减系数,探究了衰减系数对于移动列车的脉动风速谱的影响。结果表明,衰减系数增大会使移动列车的脉动风速谱向高频移动。

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。

基于Matlab的大型兆瓦级风电机脉动风速时程数值模拟

本文旨在模拟西部内陆地区大型兆瓦级风机所受风荷载的脉动风速成分,基于风机结构自身在风荷载作用下各质点具有空间相干性的基本性质,依据风机整体结构的体型特征和脉动风功率谱特性,利用谐波叠加法对风机结构所处的随机风场的脉动风速时程进行数值模拟,通过对比计算谱与目标谱的齿合程度,确认该方法的切实可行性,为模拟高耸结构及大跨度结构在长时间随机风荷载作用下的动力时程响应提供了可靠适用的随机风荷载时程数据。

脉动风速连续随机场的降维模拟

基于标准正交随机变量的波数谱表示,通过定义标准正交随机变量集的随机函数形式,建立了连续时空随机场模拟的波数谱-随机函数方法。同时,引入快速傅里叶变换(FFT)的算法,极大地提高了波数谱-随机函数方法的模拟效率。在波数谱-随机函数模拟方法中,仅需两个基本随机变量即可在概率密度层次上描述时空随机场的概率特性,并利用数论方法选取基本随机变量的代表性点集,实现对连续时空随机场模拟的降维表达。数值算例表明,当模拟相同数量的样本时,综合考虑模拟的效率和精度两方面,该文方法与传统的波数谱表示方法不分伯仲,但该文方法所需的基本随机变量最少,生成的代表性样本数量少且构成一个完备的概率集,从而可结合概率密度演化理论实现结构随机动力反应及动力可靠度的精细化分析。最后,结合Kaimal风速谱及Davenport空间相干函数模型,模拟了水平向脉动风速连续随机场,验证了该文方法的有效性和优越性。

脉动风的概率统计及最大统计风速研究

脉动风周期与结构的自振周期较接近,是引起结构振动的主要因素。根据Davenpot风速谱、Wiener-Khintchine、Shinozuka定理模拟脉动风时程曲线;使用Monte-Carlo法、MATLAB软件大量重复地进行脉动风时程模拟。主要研究了脉动风的概率分布及最大统计风速。研究结果表明:20*104次脉动风的模拟结果能够代表其整体概率分布;脉动风以平均风为基准波动,与自然风理论吻合。脉动风速服从正态分布,记做。风速在[-2.5,2.5]m/s、风压在[-40,40]Pa发生的概率为99.9%,且绝对值越小,发生的概率越大。随着模拟次数的增加最大统计风速的值越大,增幅越小。

大涡模拟中入流边界脉动风速模拟相关参数取值分析

大涡模拟中入流边界条件脉动风速的处理对计算流体动力学的数值模拟结果的正确性和精度有着至关重要的影响,文章对在运用DSRFG法生成湍流脉动风的算法中,研究了几个相关参数(包括脉动风速能量谱离散化的区间样本数Kmax,能量谱密度模拟所选取三角级数向量组的个数N,空间尺度参数因子θ1和时间尺度参数因子θ2)的数值选取,对入流脉动风速功率谱和脉动风速竖向空间相关性模拟结果的影响.模拟计算结果表明:相对于其他3个参数,空间尺度参数因子θ1的选取相对比较离散.结合DSRFG算法和文章提出的最佳参数取值,模拟得到与实际大气风场特性吻合较好的冯卡门谱及其竖向相关特征.

基于AR模型的海上风机脉动风速时程模拟

为分析海上风机支撑结构及叶片的风振动力响应特性,基于线性滤波法中自回归AR模型,采用Kaimal脉动风速功率谱编制了具备时空相关特性的MATLAB脉动风速时程模拟程序;针对江苏如东黄海海域某4 MW级风机塔筒、叶片等结构进行了实例分析,得到结构表面各控制点模拟脉动风速时程曲线,并结合计算功率谱与目标谱进行对比验证;利用TurbSim软件对自编程序计算精度和效率进行比较。相关计算结果表明该程序简单易操作,所需参数较少;虽无法考虑湍流强度,但具有适用多种风机结构的优点;同时整体模拟效果良好,可有效解决风荷载输入问题。