冲击风稳态流场CFD模拟及三维风速经验模型研究

建筑结构抗风设计中相当多地区的设计风速,往往参考当地气象观测到的雷暴冲击风的最大风速值,但雷暴冲击风的风场与目前抗风设计采用的大气边界层流场相差悬殊,使得设计风速与设计风场并不匹配。本文将在CFD计算结果与已有文献资料进行比较以验证CFD计算模型及参数准确性的基础上,进行了风场特性的全面研究,主要通过改变冲击风描述参数,来研究雷暴冲击风水平风速及竖向风速的分布特性变化情况,研究成果较为完整的描述了冲击风风场特性。最后提出了用于结构抗风设计的水平风速及竖向风速经验模型,较为简明地反映了雷暴冲击风三维风速的空间分布情况,并得到了CFD模拟、实测以及试验结果的验证。该经验模型为雷暴冲击风下的抗风设计计算提供了理论基础。

球壳型屋盖在冲击风作用下的抗风设计参数及CFD分析

雷暴冲击风具有和大气边界层显著不同的风场特性。为与抗风设计习惯一致,提出了与大气边界层风场类似的冲击风水平风荷载下静力风荷载表达式,并给出了相应的风压高度变化系数和体型系数的计算方法。以球壳型大跨屋面为具体研究对象,采用CFD数值模拟方法,研究其在冲击风作用下随结构参数和冲击风参数改变的冲击风体型系数变化规律,并将结果与大气边界层风洞实验中的结果进行比较。最后还给出了球壳屋面位于冲击风正下方时,屋面体型系数及风压高度变化系数的取值。

雷暴冲击风风洞设计及流场测试

鉴于雷暴冲击风试验装置的特殊性以及与低速直流风洞的共通性,参考低速直流风洞的设计方法设计完成了试验装置的洞体结构,并制作了具有调节功能的平板来模拟地面。通过调节平板,该装置能够同时改变冲击风强度、直径、射流高度、入射倾角等冲击风参数。试验测得稳态条件下射流口下竖向风速分布,以及沿竖向分布和水平分布的水平风速,研究了水平距离、高度及冲击风参数的影响。研究结果表明:最大水平风速出现的高度与其水平位置有关;射流速度Vjet与射流直径Djet在一定范围内对试验结果影响不大;射流高度h与入射倾角α对冲击风的流场有明显影响。

运动雷暴冲击风下输电线风载计算参数

基于雷暴冲击风场风速剖面的经验函数,结合矢量合成法和谐波叠加法,构建了风场参数可变的瞬时运动雷暴冲击风场的计算方法.运动雷暴冲击风为短时强风,采用10 min平均风速无法准确地反映风场的时变特征,因而提出了平均时距较短的3 s阵风风速来表达冲击风场的设计风速.从输电线风载计算参数的实际表征意义出发,对10 m高度的3 s阵风风速、风压高度变化系数、风压不均匀系数、风荷载调整系数与冲击风风场参数的对应关系开展了全面的研究.结果表明,冲击风射流直径对风高系数的影响较大,风压不均匀系数和风荷载调整系数则主要受线路所在高度的湍流度支配,其中前者还与线路的档距有关.在此基础上,采用最小二乘法对风高系数和风压不均匀系数的经验公式进行拟合,给出风荷载调整系数的推荐取值,得到了基于3 s阵风风速的输电导线风荷载的完整表达式,并与中、美规范中常规边界层风场和冲击风场下的输电线风荷载进行对比,结果显示,近地面范围内,前者的计算值要高于后者.

冲击风作用下大跨屋盖多模态随机风致响应研究

雷暴冲击风是一种近地面短时产生的瞬态强风,它与传统的边界层风场特征具有明显的差别,冲击风将会引起屋盖的强烈振动,甚至发生破坏。本文根据混合随机模型,详细研究了冲击风风场的数值模拟方法。应用Wood竖直风剖面方程与Holmes经验模型模拟平均风场,使用稳态高斯随机过程模拟脉动风场,模拟的风场与实际的雷暴冲击风较为一致。结合多阶模态加速度法和等效风荷载原理,详细推导了大跨屋盖随机风致响应的计算方法。结合边界层风洞试验,比较冲击风产生的表面风压特性,计算得到屋盖冲击风致动力响应时程,并研究了冲击风作用下大跨屋盖荷载风效应系数和位移风效应系数的分布特点。研究结果可作为评估大跨屋盖冲击风致响应的一种参考。

运动雷暴冲击风水平风速时程分析及现象模型

运动雷暴冲击风属于一种非稳态风场.为了研究冲击风射流速度、运动速度、射流高度、射流倾角对该流场的影响,使用壁面射流试验装置进行了运动冲击风流场试验.经过分析提出了相应的现象模型,该模型可被用于获得在不同的冲击风参数下的风速时程.最后,选择多个文献给出的不同冲击风水平风速横廓线模型,并结合矢量合成方法获得水平风速时程,并与该现象模型结果对比.结果表明,对于冲击风到达前的风速时程,现象模型与除了与Holmes和Oliver所提出模型有所区别外,与其他模型均较为吻合;而对于冲击风经过后的风速时程,该现象模型能更好地描述实际试验情况.

稳态冲击风作用下高层建筑风荷载特性试验研究

雷暴冲击风风场与大气边界层风场差异较大.为研究雷暴冲击风作用下高层建筑风荷载特性,采用静止型冲击射流装置模拟稳态雷暴冲击风风场,进行高层建筑刚性模型测压试验,讨论了不同径向位置处高层建筑局部和整体风荷载时域和频域特性.结果表明:建筑表面平均风压最大值出现的位置与径向风速峰值一致.同时,迎风面风压最大值出现在底部,明显不同于大气边界层风场中最大值靠近顶部位置的风压分布特性;径向层风荷载均值最大值出现在建筑中部,横风向和扭转向层风荷载均值为0.径向和横风向层风荷载谱沿高度不变,而扭转向层风荷载谱沿高度变化明显.

雷暴冲击风作用下双坡屋面风压分布

为了研究雷暴冲击风作用下双坡屋面的风压分布,建造了用于建筑风工程的射流风洞,并对低矮建筑的双坡屋面进行了测压试验.试验装置的气动测试表明,风场的风压分布和风速剖面与理论结果吻合良好,射流风洞可用于雷暴冲击风荷载的相关研究.然后,采用刚性模型的射流风洞测压试验研究双坡屋面的风压分布,为了使研究结果具有代表性,针对15°,30°和60°三种典型的屋面坡角制作刚性屋面模型,试验得到了模型在风场不同位置时的风压分布.试验结果表明:建筑物位于雷暴冲击风场中心附近时,屋面风荷载为较大压力,较常规风荷载更为不利;建筑物远离风场中心时,3种屋面的雷暴冲击风荷载与常规风荷载比较接近.

雷暴大风环境特征及其对风暴结构影响的对比研究

2009年6月3日,受冷涡后部次天气尺度横槽的影响,在相邻的两个区域先后出现雷暴大风天气,造成两地强风的风暴类型、地面大风分布及灾害程度差异显著。风暴结构分析表明:产生晋陕大风的雷暴类型为一般单体风暴和脉冲风暴,而产生商丘致灾大风的则为典型的弓形回波。结合观测和数值模拟资料分析产生上述两类雷暴大风的环境要素,并构建其环境温、湿度廓线,结果表明:(1)晋陕大风区环境探空温、湿度廓线呈倒V形,为典型的干下击暴流探空廓线,类似探空在中国西部高原地区夏季常见;(2)商丘雷暴大风区环境温、湿度廓线类似典型湿下击暴流探空。数值模拟给出了典型的一般单体特征结构,老雷暴单体出流在其前方触发新单体。在中低层相对干的环境下多个对流单体的冷下沉形成冷池,强风由对流单体下沉辐散气流叠加在冷池密度流上造成。两类雷暴大风环境风垂直切变特点为:深层环境风垂直切变较弱、强水平风垂直切变集中在中低层。数值模拟表明:在这种风垂直切变配置下,低层湿度成为风暴结构的决定因素:中一高湿度环境下形成高度组织化的飑线,且其单体具有较强中层旋转;低湿度环境下产生组织程度差的一般单体和脉冲风暴,并基于高分辨率数值模式模拟结果给出了环境影响风暴结构的物理图像。

1000kV特高压钢管构架雷暴冲击风致振动响应研究

1000kV钢管构架属于风敏感结构,风与结构的相互作用十分复杂,风荷载常常是设计的主要控制荷载。本文以某一特高压钢管构架为工程背景,详细研究了冲击风风场的数值模拟方法,应用Wood竖直风剖面方程与Holmes经验模型模拟平均风场,以及使用稳态高斯随机过程模拟冲击风脉动风场,使得模拟的风场与实际的雷暴冲击风较为一致。利用精确的有限元模型,获得了结构的自振动力特性,在时域内得到了构架风致振动响应时程。研究了结构位移平均值、位移均方根值和加速度均方根值的分布特点,同时计算比较了不同风场时构架典型节点的风振系数。通过研究,揭示了1000kV钢管构架的风致振动特性,结果可作为构架结构抗风设计的参考。

雷暴冲击风荷载的大涡模拟

雷暴冲击风具有同常规的大气边界层风完全不同的风场特征。为研究雷暴冲击风场中建筑物的风荷载,采用大涡模拟(LES)方法对方形截面高层建筑进行了雷暴冲击风场数值模拟,获得了高层建筑在雷暴冲击风作用下的风荷载参数。同时,对雷暴冲击风场进行了数值模拟,所得结果与理论结果吻合良好,验证了方法的可靠性。

四川盆地一次极端大风天气过程成因及预报着眼点分析

利用常规观测资料、FY-2E卫星云图、多普勒雷达产品、闪电定位资料、自动气象站资料等,分析了2015年4月4日傍晚到夜间发生在四川盆地的极端大风天气过程。分析指出:本次雷暴大风过程是由冷锋对暖湿气团的强迫抬升及干冷空气进入暖湿区域触发形成.中空干层、大的温度直减率、高低空急流耦合区、低层温度脊附近是利于极端雷暴大风出现的潜势区域。该区域为雷暴形成提供了条件不稳定、水汽、动力抬升等有利环境条件。冷空气首先从盆地西北部中低层入侵,在低层切变线上触发生成了一系列雷暴单体,在最有利于对流发展的潜势区域迅速发展。潜势区域中线状回波北段的中尺度涡旋环流、前侧入流和后侧入流的相互作用形成单体弓形回波,该弓形回波具有比普通雷暴更高的反射率因子、垂直液态含水量.根据雷达回波演变特征推断,本次极端大风是由单体弓形回波带来的湿下击暴流所导致。弓形回波中高反射率因子的高度连续下降意味着下沉气流伴随降水粒子下降,干空气被夹卷进入下沉气流使得雨滴被迅速蒸发,大大加强了下沉气流强度,因而显著增加了大风强度。分析还指出:通过分析对流发展背景条件,确定最有利对流发展的潜势区域,关注该区域中回波的生成、形态特点、演变特征,可提前预警大风天气。

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.

“6.3”区域致灾雷暴大风形成及维持原因分析

利用商丘和郑州雷达资料,结合地面加密观测等多种资料,分析了2009年6月3日傍晚至次日凌晨,河南商丘、安徽和江苏北部出现的大范围致灾雷暴大风。本文分两个阶段从中尺度环境、风暴结构、风暴与环境相互作用、雷暴间相互作用的角度对商丘风暴的发展、维持及灾害性大风成因进行了深入探讨,得到以下结论:(1)商丘雷暴大风环境类似美国暖季型Derecho环境;(2)商丘风暴由晋冀雷暴群下沉气流导致的出流阵风锋移动到水汽相对充沛处触发,在有利的环境条件下迅速发展成具有较强的中层径向辐合超级单体风暴,多个超级单体的强下沉气流合并产生了超级单体阶段的地面大风;(3)飑线发展、维持的原因是飑线的自组织结构,飑线与环境入流的相互作用既有利于强上升气流发展,亦有利于强下沉气流发展,干线及叠加在干线上扰动触发的新生回波带不断并入飑线北端;(4)根据径向速度增幅估计,风暴强下沉气流辐散、强冷池密度流和层状云部分降水粒子蒸发对弓形回波阶段地面灾害性大风的增幅作用几乎相当,冷池合并是商丘极端雷暴大风产生的重要原因。

我国下击暴流的时空分布特性

为给结构设计风荷载取值提供依据,本文根据1971~2000年全国707座气象基站的观测资料,研究下击暴流的时空分布特性。首先,通过分析下击暴流发生天数的年变化和月变化以及初终期,获取下击暴流的时间分布特性。其次,考虑下击暴流发生天数和持续时间的空间分布,依据发生天数年平均值提出下击暴流风荷载设计的分区方法。最后统计计算各分区的下击暴流发生天数、持续时间及发生频率。为减少风灾损失,建筑结构风荷载计算中应考虑下击暴流的影响。

输电塔线体系抗风设计理论与发展

输电塔线体系是国家重要的电力工程设施。显然,它们的安全性直接关系到国家电网运行的可靠性,而风荷载是影响它们安全性的主要因素之一。首先,简要介绍了我国超高压、特高压输电线路的发展前景。接着,从输电塔线体系的分析模型、动力特性、风致动力响应、风致振动控制等几个方面,对输电塔线体系抗风设计理论的发展进行了综述。最后,论文重点阐述了输电塔线体系抗下击暴流风荷载设计的重要性,提出了有待于研究的若干问题。指出了对下击暴流风荷载的研究将为我国建造模拟雷暴风环境的新一代风洞实验室和输电塔线体系的抗下击暴流提供理论基础和设计指导,同时为输电塔线体系的风致振动控制设计与实现提供重要的参考。

雷暴冲击风作用下地面风压分布特征

提出了雷暴冲击风作用下地面风压分布的简便计算公式.以圆柱体计算流域模拟雷暴冲击风场,采用大涡模拟(LES)方法结合壁面射流模型对雷暴冲击风场进行了数值模拟,获得了雷暴冲击风从初始喷射到流场稳定的发展过程.射流前沿有一水平涡环,随着时间的推移而冲向地面,然后沿径向远离中心而去.分析得到了雷暴冲击风作用下地面的风压系数时程和时均风压系数,以及不同时刻的风速剖面.风速剖面与理论结果吻合良好,验证了方法的可靠性.仿真结果表明,雷暴冲击风场中心处压力系数最大,压力系数随着径向坐标的增大而减小,提出的公式能够很好地表达雷暴冲击风作用下地面处风压的分布特征.

两种雷暴大风的结构特征及其环境条件对比分析

2014年3月29日晚到31日早上,广西连续两个晚上在同一区域出现了两种不同类型的雷暴大风,这两类雷暴大风在形态结构演变和环境条件上存在明显的差异。30日雷暴大风表现为多个孤立、松散、排列无序的强单体风暴,属于微湿下击暴流、低层暖平流强迫类,其层结为条件性不稳定,由地面辐合线触发;31日的雷暴大风则是由有组织、紧密排列的多单体强风暴组成的飑线系统,其后侧入流明显,有平流作用,风暴范围大,属于高空冷平流强迫类,其层结为对流性不稳定,由地面锋面触发产生。从环境条件上来看,30日雷暴大风的温湿廓线呈倒V型结构,中层湿度相对较大,低层干且温度直减率近干绝热;31日雷暴大风的温湿廓线表现为850hPa以下大气层结曲线与露点曲线紧靠,水汽充足,以上两者分离,干层显著,呈“漏斗”状,另外,31日雷暴大风的垂直风切变较大,更有利于对流的组织化。

下击暴流作用下风力发电机表面风压特性

为揭示下击暴流风场特性和风力机在风场作用下的风压特性,基于计算流体动力学(computational fluid dynamics,CFD)方法对下击暴流风场特性和风力机风压特性进行研究。通过与Wood半经验理论模型对比,验证数值模拟方法的正确性。从风速变化来看,地形对风场变化作用明显,平地下击暴流径向风速在近地面位置较大,随径向距离增加,风速先增大后减小。山地下击暴流主要作用于迎风坡和山顶位置,在背风坡形成绕流涡旋区域,背风坡风速较小,山体具有阻挡效应。迎风面山体坡度对风场有加速作用,最大风速位置为山顶近地面区域。以GW2.5MW风力发电机为例,研究风力发电机位于平地、山坡和山顶位置处的风压特性。结果表明:山顶处风机表面风压集中分布在距离地面0~25m区域内,山坡处风机表面最大风压主要分布在机舱底部,平地处风机表面最大风压集中分布在距离地面0~40m区域的塔筒表面。研究结果可以为风力发电机的设计及安全运行提供一定参考。

下击暴流下单立柱三面式广告牌风压特性研究

基于计算流体动力学理论,采用雷诺平均方法对下击暴流作用下单立柱三面式广告牌结构风压分布进行三维数值计算。首先,通过模拟下击暴流风场风剖面验证计算模型及参数准确性。然后,主要分析径向距离和风向角对广告牌风压分布特性的影响。数值结果表明:径向距离和风向角对广告牌风压分布特性有较强影响,当结构置于R=0Djet时,广告牌内外表面均承受较大压力;而R=1Djet时,广告牌各面板所受压力达到最大值,然后随径向距离逐渐增大其数值不断减小。随风向角不断增大,广告牌各面板前后叠加风压系数逐渐增大,广告牌迎风面风压系数分布由不对称逐渐转变为对称分布,受高压区域面积也随之逐渐增大。