考虑雨强贡献的大型水电站枢纽泄洪雾化影响规律分析

泄洪雾化对两岸边坡的影响一直是水电枢纽长期运行安全关注的重大问题。针对西南水电站枢纽泄洪雾化影响问题,采用随机喷溅数学模型分析了雾化影响规律,并对该模型求解方法进行了改进,在综合考虑复杂地形、水舌风、自然风及水滴飞行过程等因素的同时,以西南地区GS水电站为依托,对不同泄洪工况下的雾化降雨进行预测。结果表明,泄洪方式、地形及自然风在大型水电站雾雨区分布形态中起主导作用。GS水电站不同工况下雾化降雨呈现沿河谷两岸边坡竖向爬升的趋势,暴雨区沿左岸最高扩散至2236 m高程,右岸扩散至2188 m高程,最大纵向长度为815 m,暴雨中心雨强达600~1000 mm/h。研究成果为未来窄河谷、大规模水电站工程泄洪出口处的雾化影响分析提供了参考依据。

随机可控风场中三维布料实时仿真

现实生活中的布料总是处于特定的风场中.为获得更丰富的布料动态效果,提出一种结合简单空气动力学模型与柏林噪声函数的方法模拟随机风场,实现布料在风场中的动态效果,使布料的运动形态更细腻逼真.建立基于三角网格的质点弹簧的布料模型,通过拉格朗日应变逐渐增大弹性系数的变化率解决超弹性问题,降低计算复杂度,同时大大提高了系统稳定性;其次,将风力分解再离散到布料质点实现风力的传播,再通过柏林噪声函数产生扰动,增强风场的随机性和不可压缩的特性;最后,只考虑风场对布料的作用,根据牛顿第二定律建立运动方程,通过verlet数值积分对运动方程进行数值求解,实时模拟布料随任意改变的风向和风力运动.

小波分析在空间随机风场模拟中的应用

采用小波分析的方法对具有空间相关性的随机风场进行模拟。在模拟过程中,首先依据小波的多分辨率特性及小波重构算法生成一系列不相关的一维风速时程样本,其中尝试采用ARMA(自回归滑动平均)法产生每一尺度小波系数并推导了相应的计算公式。然后依据风场的空间相关特性,修正已生成的不具有相关性的随机场样本,最终合成具有指定相关特性的空间风场,并通过算例验证了这种方法的有效性。

火炮最大射程地面密集度分析与预测

火炮最大射程地面密集度是火炮武器系统的重要战术技术性能指标之一,也是射击精度的重要组成部分。以某火炮最大射程地面密集度为研究对象,分析和研究了影响密集度的主要因素及起始扰动对弹道的影响,建立了模拟实际大气阵风风速随机变化的Markov随机风场,采用了符合误差因素特征的随机数,运用弹道方程法建立了密集度预测模型。该模型真实反映了主要因素影响密集度的机理,并考虑了各主要误差因素的交互作用。

随机脉动风场的正交展开方法

随机脉动风场可以分解为反映脉动风特性的随机过程与反映脉动风速空间相关性的随机场之积。利用随机过程的正交展开方法,将反映脉动风特性的随机过程表示为由少量独立随机变量所调制的确定性函数的线性组合形式;根据随机场的Karhunen-Loeve分解,将反映脉动风速空间相关性的随机场进行正交展开,发展了利用随机函数表达脉动风速随机场的基本方法。应用数论选点方法,验证本文所提出的用少量独立随机变量反映脉动风场随机性的思想的可行性与有效性,为工程结构在风荷载作用下的随机动力反应及动力可靠性分析奠定了基础。

基于物理机制的风力发电高塔系统风场模拟

为了准确确定作用于桨叶和塔体的风荷载,研究了基于物理机制的风力发电高塔系统风场模拟问题.依据随机过程的随机函数描述,提出了基于物理机制的旋转Fourier互谱,有效地考虑了桨叶旋转效应和桨叶上不同点风速之间的相关性.然后,对旋转Fourier谱(随机Fourier谱)作逆Fourier变换,实现了桨叶(塔体)的风场模拟.最后,结合典型的1.25 MW三桨叶变桨距风力发电高塔系统,进行了纵向风速场数值仿真研究.算例表明,该算法可以准确地模拟给定风环境的风力发电高塔系统脉动风速时程.

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.

高层建筑周边三维瞬态风场的混合数值模拟

为了改进高层建筑周边瞬态风场数值模拟方法的计算效率,在随机流场生成方法和计算流体动力学(CFD)的基础上提出高效的混合型数值模拟方法.采用雷诺应力模型求解标准高层建筑模型(CAARC)周边的时均化湍流场,结合获得的雷诺应力张量修正瞬态风场的风功率谱.运用随机流场生成方法和快速傅里叶变换技术模拟得到该建筑周边的三维脉动风速场.以谱密度函数、互相关函数以及空间相关系数为特征指标量,对风速场模拟样本的物理和数值特征进行验证.研究表明:计算得到的风场满足流体不可压缩条件,与传统模拟方法的结果相比更符合风谱能量分布等真实大气湍流物理特征,证明提出的瞬态风场混合模拟方法可以高效准确的求解受建筑干扰后的真实三维脉动风速场.

北京石景山区大气污染扩散对市区影响的半定量分析

用北京地区的实测气象资料 ,结合风场诊断、轨迹分析和随机游走模拟方法 ,分析石景山区大气污染排放对北京市区的可能影响 .结果表明 ,石景山区污染物的输送扩散特性密切依赖于当地中尺度风场的不同类别 .天气系统影响、地形中尺度环流以及其它不确定风场的交互作用 ,使石景山区大气污染扩散总体具有南 北向分布的特点 ,平均影响偏于其所在的市区西部一侧 .对市区的浓度影响由西向东递减 ,显著影响区域的东界大体为海淀、丰台一线 .秋冬季冷锋过境前的小风条件易造成污染物局地累积 ,当其缓慢移过市区时 。

环境风激励下的深圳平安金融中心模态参数识别

对高度600m的超高层建筑——深圳平安金融中心在外界环境风激励下的风振响应进行了现场实测。通过安装在塔楼118层的2组加速度传感器测得结构的风致加速度响应,采用经验模态分解法(EMD)与随机减量技术(RDT)相结合的方法计算了结构的自振频率和阻尼比。建立了深圳平安金融中心三维有限元模型,通过有限元分析得出结构的自振频率,并与实测结果进行对比。结果表明:由EMD和RDT相结合的方法计算得出结构1阶横弯自振频率约为0.12Hz,阻尼比为0.3%~0.6%;结构1阶扭转自振频率约为0.28Hz,阻尼比为0.8%~1.0%;深圳平安金融中心实测结构自振频率和阻尼比与其他结构高度相似的超高层建筑实测结果相近,且实测结果和有限元分析结果吻合较好,验证了EMD和RDT结合方法分析超高层建筑模态参数的有效性;测试结果可以为超高层建筑设计和相关研究提供依据。

随机脉动风场的谱表示降维模拟

基于正交随机变量的谱表示,引入随机函数的约束条件,提出了随机脉动风场模拟的谱表示降维方法。从谱表示模拟公式中所需随机变量的数量及约束条件两方面,厘清了经典谱表示与基于正交随机变量谱表示的区别。将正交随机变量集表达为两个基本随机变量的正交函数形式,使基于正交随机变量谱表示的随机度从数万降低为2,极大地减少了随机脉动风场模拟的计算量。通过构造两类不同的正交随机函数形式,分别对高层建筑沿高度变化的水平向脉动风场进行模拟,均能获得较高的模拟精度,检验了此方法的有效性。研究表明:此方法仅需2个基本随机变量即可在密度层次上反映脉动风场的概率特性,且生成的233条代表性时程构成一个完备的概率集,进而可结合概率密度演化理论进行工程结构抗风可靠度精细化分析。

POD与MSM原理和应用的对比分析

为揭示本征正交分解(proper orthogonal decomposition,POD)与模态叠加法(mode superposition method,MSM)在基本原理和工程应用中的异同,对POD和MSM的数理基础进行了对比性分析;通过风洞试验及动力响应时程分析获得了一座冷却塔的表面脉动风载荷及其脉动响应,以此两个时空随机场为例对POD和MSM两种方法的应用进行了对比性阐述.POD和MSM均通过引入空间模态和相应的时间坐标,经线性叠加来实现对时空随机场的分解与重建,但两者的应用对象并不一致:前者多用于已知随机载荷场的分析而后者多用于未知结构响应的计算.两者空间模态和时间坐标的提取方法和数理意义以及各模态对原随机场的贡献等亦不相同.尽管POD和MSM两种方法所得空间模态均有正交性,但时间坐标的正交性仅存在于POD方法,故POD各阶模态的本征值之和可以完全反应对原随机场的贡献,而MSM的模态贡献则存在一定的耦合性.

随机Fourier谱风场仿真算法的验证

在随机Fourier谱风场仿真算法的基础上,进一步考察随机仿真风速场能否体现给定风环境的随机特性.这一考察建立在仿真风场与目标风场之间的随机Fourier谱和随机相干函数的均值谱、标准差谱的对比之上.实例分析表明,随机风场数值仿真算法可以准确地反映风场的随机性.

随机风场作用下的三维草地视景仿真

对三维草地进行视景仿真,实时绘制随机风场作用下的草体元素,提高草地模拟的真实感。由于三维草地视景中的草体实体数量巨大,随着风场的作用发生随机的形态变化,传统方法难以有效实现对草地视景仿真。提出一种基于四方连续纹理生成的随机风场作用下的三维草地视景仿真方法。采用层状纹理方法进行三维草地场景生成再现,在随机风场作用下,采用轮廓点标记方法进行三维草地的特征分类,采用直方图算法进行模板距离度量,对三维草地在风场作用下的关键帧和当前帧进行模板匹配,对草地的等效直方图、轮廓区域中心位置、草地的镜面反射光强度、灰度极值四个属性进行归一化处理,实现四方连续纹理生成,提高风场作用下的视景仿真真实度。仿真结果表明,采用该算法进行随机风场作用下三维草地视景仿真,草体摆动效果真实性较好,动态模拟效果较好,草体目标位置的中心误差比传统方法降低,性能优越。

风力机叶片周边瞬态风场的混合数值模拟

本文根据已有的三维瞬态风场混合数值模拟方法,首先利用k-ε湍流模型对风力发电机叶片周边的时均湍流场进行CFD数值模拟,用ESDU推荐的方法计算了叶片附近的Reynolds应力张量,并修正叶片周边风场的脉动风功率谱密度函数。基于随机流场生成方法逐点模拟了叶片周边的三维脉动风速场,为今后进行叶片脉动荷载的求解奠定了基础。

基于随机森林算法的风场预报

利用随机森林算法,基于历史地面实况观测数据,构建随机森林1~6 h风场预报模型,并用2018年的地面实况观测数据对预报模型进行检验分析.结果表明,随机森林算法在风场预报中有较好的泛化能力,对地面10 m风场有较好的预报水平,在1~6 h的预报中,预报风场与实况风场比较接近,各预报时效风速的年平均绝对误差为1.0 m/s,风向的年平均绝对误差为59°;随着预报时效的延长,随机森林风场预报模型对较大风速和较大风速时风向的预报能力逐渐减弱;利用A_Int检验方法对随机森林1~6 h风场预报结果进行检验,结果表明模型预报的准确率普遍较高,各预报时效2018年平均准确率为61.5%.

风速脉动对跃移运动的影响

对风沙流中随机风场模型进行了描述,然后基于高斯概率分布,利用随机Fourier级数生成脉动风场,进而对混合粒径颗粒在湍流随机风场中的运动进行数值计算,给出了颗粒的垂直质量通量和水平质量通量以及沙粒粒径分布的变化情况.实例分析表明,所提出的算法在给定条件下,数值模拟结果与实际观测结果符合良好.

结构参数对锚段关节防风性的影响分析

以新疆铁路强风地区某段接触网的四跨绝缘锚段关节为研究对象,基于大型通用有限元分析软件ANSYS建立了有限元模型。应用非线性瞬态分析的方法,获得了锚段关节在不同平均风速下的风振响应。根据风振响应分析了锚段关节结构参数对锚段关节防风性的影响。分析结果表明:适当减小接触线截面面积、增大接触线和承力索初始张力可提高锚段关节防风性;承力索截面面积对锚段关节防风性影响较小,承力索初始张力大于14 kN的结构较为适宜。

随机近场地震作用下风力发电塔结构振动台试验研究

近场脉冲型地震动经常含有较大的加速度峰值及显著的速度脉冲效应,且表现出更明显的不确定性,可能对长周期结构造成严重的破坏。利用近场速度脉冲模型及随机地面运动模型合成了35条基于8度多遇条件下的不同类型随机波样本,按照1/20缩尺比例设计并制作了某2 MW风电塔试验模型,以上述随机地震为试验输入,对模型进行了振动台试验,研究了随机地震作用下风电塔模型结构的响应特性,并对离散性进行了分析。结果表明:模型结构反应表现出显著的离散性,位移反应的变异性沿塔高增加,而剪力反应的变异性随塔高减小;相同幅值脉冲型地震波作用下塔顶加速度、位移及塔底剪力大于无脉冲波,且随着脉冲数量增加,结构反应也呈增大趋势;脉冲型随机波作用下结构加速度响应主要受基本振型控制。

基于动力学模态分解的大跨度平屋盖风压场研究

采用经过嵌入维数改进的动力学模态分解(DMD)方法和本征正交分解(POD)方法对大跨度平屋面的随机风压场进行分析。结果表明:利用Takens嵌入定理来增加原始快照矩阵的空间维数,能够挖掘风洞试验数据集中隐藏的模糊动态特征;POD和DMD的模态分布均能够反映脉动压力场典型漩涡的主要特征,但POD的每个模态包含多个频率的信息,这在一定程度上让POD的模态成为多个频率段脉动的耦合,而DMD方法分解模态是单频模态并且可以得到每个模态的稳定性。相同比例的POD模态所占的能量比例大于DMD模态结果,但当使用相同比例的模态进行脉动风压场重构时,DMD方法比POD方法的重构结果更能够描述和契合原始脉动压力场的局部特征,这是由于DMD方法是直接对压力场进行重建,而POD方法主要是重建能量场,因此在揭示随机风压场时空演化特征,DMD方法更具优势。