高山峡谷桥址处风场特性的大涡模拟研究

为研究高山峡谷桥址处的风场特性,采用大涡模拟对川藏线迫龙沟大桥桥址10 km范围内的风场特性进行模拟和分析。采用谐波合成法生成大气边界层来流,比较采用均匀来流和边界层来流作为入口边界时的模拟结果。研究结果表明:模拟获得的桥址平均风速剖面和脉动风速标准差剖面均与相应的风洞试验结果吻合良好,验证了大涡模拟的准确性以及其模拟脉动风特性的有效性;入口来流类型对桥址处平均风速剖面和脉动风速标准差剖面的形状影响较小,但边界层来流较均匀来流会降低桥址处平均风速并提高高空中脉动风速标准差;高山峡谷桥址梯度风高度大于规范推荐值,与高山峡谷周围的最大高差相近;与均匀来流相比,边界层来流下山体尾流区旋涡结构更加复杂。

山区峡谷桥址处风场实测与数值模拟研究

为准确模拟山区峡谷桥址处的三维紊流风场,以澧水大桥所在峡谷为工程背景,将现场实测风场用谐波合成法进行等效处理生成了满足峡谷风场特性的随机来流,然后基于对Fluent的二次开发,将生成的随机来流赋予大涡模拟的入口边界.通过对比本文方法和无脉动入口计算结果发现,本文方法更能体现山区峡谷风场的真实流态,最后在本文方法基础上对不同风向角作用下的山区峡谷桥址处风场进行了数值模拟,得到了峡谷桥址处风场的详细分布特性,可为山区峡谷地形紊流场精细化数值模拟提供参考.

基于谐波合成法的大涡模拟脉动风场生成方法研究

为准确模拟大涡模拟入口处的脉动信息,在充分考虑脉动风场的功率谱、相关性、风剖面等参数前提下,运用谐波合成方法生成了满足目标风场湍流特性的随机序列数,通过对FLUENT软件平台进行二次开发,将生成的随机序列数赋给大涡模拟的入口边界,从而实现了大涡模拟的脉动输入.基于风洞试验数据,分别建立了两种模拟脉动风场的数值模型,一为没有任何障碍物的空风洞,运用谐波合成方法生成的随机序列数作为入口边界来生成脉动信息;二为与真实风洞一致的尖劈粗糙元风洞,采用平均风作为入口边界,利用尖劈粗糙元对风场的扰动来产生脉动信息.通过对比两种数值模型发现:基于谐波合成方法生成的脉动风场可作为大涡模拟的入口边界,可为大涡模拟脉动入口研究提供参考.

基于谐波合成法的输电塔线体系风致响应分析

输电塔线体系由于具有大跨、高柔的特性,在风荷载的作用下容易产生较大的振动,对风荷载的作用比较敏感,因此风荷载是输电塔线体系极其重要的设计荷载,起着决定性作用。文章基于脉动风的基本特性和Davenport风速谱,提出了时域法中基于按时间抽取的快速傅里叶变换技术改进的谐波合成法,然后对输电塔线体系的脉动风场进行了仿真,结果表明,仿真的脉动风速与实际风速一致,仿真的风场符合脉动风的空间相关性规律,计算效率得到了提高。

脉动风场数值模拟的POD-谐波合成法

谐波合成法(WAWS)具有较高的随机序列生成精度,是目前进行随机风场模拟中较多采用的方法,但在模拟多节点、长序列脉动风场时程时往往存在计算效率低、内存易超限的问题.本文结合谐波合成法与POD技术(WAWS/POD),在保证计算精度的前提下大大提高计算效率,解决了数值模拟过程中计算内存超限的问题.同时为方便用户掌握数值模拟的精度,给出该方法的误差控制指标,用于选择正交分解阶数.最后,采用WAWS/POD联合法模拟了空间200个节点的脉动风场,验证了方法的准确性和高效性.

谐波合成法脉动风模拟时间步长的取值

为明确基于FFT技术的谐波合成法(WAWS)中各参数的取值原则,尤其关注时间步长Δt以及对后续动力计算结果的影响,针对单自由度弹簧振子模型和某变电站避雷针高耸结构,采用多种参数进行脉动风时程模拟和时程动力计算,经结果对比和WAWS原理分析,并结合风谱和模态力谱特征,给出WAWS的参数,包括截止频率f u、周期T 0、频率点N时频点比值M/N和时间步长Δt的取值原则。研究结果表明:基于单索引频率的WAWS进行随机场模拟时,如果时频点比值取常用值M/N=2,最大频率f u对应谐波的每个周期里只有两个时间点,得到的折线无法准确再现原余弦曲线的模拟目标,并且对应的Δt可能在动力时程计算无法准确计入结构的共振效应;为使动力计算准确计入共振效应,可通过增加截止频率f u和M/N来减小Δt,并且增加f u或增加M/N的效果一致;弹簧振子模型对Δt的要求最为苛刻,其Δt可作为普通结构的上限,普通结构对Δt的具体取值,可以上限值为指导再通过试算合理确定。

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.

江顺大桥风致抖振响应及斜拉索疲劳损伤分析

大跨度斜拉桥在脉动风荷载作用下拉索的疲劳损伤问题不容忽视。以江顺大桥为研究对象,进行了考虑静风平衡的抖振响应及拉索疲劳损伤分析。首先通过谐波合成法合成了桥址处的脉动风速,在综合考虑桥梁的几何非线性与风荷载非线性的基础上,运用ANSYS软件进行了桥梁结构的风致抖振响应分析;然后利用MATLAB软件编制的雨流计数法程序对拉索单元的应力时程进行数据统计,得到拉索单元的应力幅值及对应的循环次数;最后基于Miner线性累计损伤原理对关键位置拉索进行疲劳损伤研究,分析了风参数对拉索疲劳损伤的影响。研究结果表明,疲劳损伤最大的拉索为背风侧的跨中长拉索;风速与风攻角越大,拉索疲劳损伤也越大。

基于协方差本征变换与谐波合成法的随机风场模拟

为解决谐波合成法模拟多变量随机脉动风场计算效率低下,内存易超限的问题,提出了协方差本征变换与谐波合成法相结合的风场模拟新方法。在谐波合成法和协方差本征变换的基础上,采用基于方差比的模态截断准则缩阶互谱密度矩阵,以减少矩阵的Cholesky分解次数,同时运用FFT技术来提高谐波项的合成速度,并给出了该方法的误差控制指标。通过算例表明上述方法可有效减少整个模拟过程的计算时间,采用方差比模态截断准则可保证所有节点位置的样本方差具有较高精度,模拟样本的功率谱密度、相关函数与目标值较为符合,并且具有较好的随机性。证实了所提出方法可以高效、准确地的模拟出随机脉动风场。

高层建筑结构随机风速场的数值模拟及风振控制

基于Davenport脉动风速谱,并考虑竖向相关性、平稳性的多变量随机过程,采用经过快速傅里叶变换算法改进的谐波叠加法对高层建筑结构进行脉动风速时程模拟,生成具有随机性的脉动风速时程曲线和风速功率谱密度函数。以76层306 m高钢筋混凝土结构风振Benchmark模型为研究对象,通过改进的谐波叠加法得出了结构在模拟脉动风荷载作用下的被动TMD控制和主动LQG控制的控制结果。研究结果表明:经过快速傅里叶变换算法改进的谐波叠加法具有很高的计算精度和效率。

矩形截面高层建筑横向风激励时程模拟

提出了一种改进的矩形高层建筑横风向脉动激励模拟方法。从牛顿第二定理出发,将沿建筑高度分布的横风向加速度和楼层质量转化为沿楼层高度分布的横风向惯性力计算公式;考虑横风向力谱竖向相干函数,由此导出了沿建筑高度方向分布的横风向脉动力互谱,进而采取谐波合成法模拟出了沿建筑高度分布的横风向脉动力时程数据。结果表明:横风向振动响应与结构固有频率相关,结构前2阶模态频率所对应的横风向加速度响应功率谱约占80%,且第2阶模态频率占主导;当在结构2/3高度增加粘滞阻尼器时,第2阶模态频率所对应的结构加速度功率谱值降低约为43.1%,减震效果明显。因此,结构横风向加速度分析至少考虑前2阶模态的影响。

跨海桥梁随机非平稳风浪同步模拟方法

大跨度跨海桥梁会同时遭受风和波浪等复杂环境激励作用,需要在生命周期内考虑其安全性,首要问题是进行正确的随机风和波浪模拟.为同时考虑风浪相关性、风浪非平稳特性和风速空间相干性,首先,本文基于风浪联合功率谱模型,采用谐波合成法和演化谱理论建立了随机非平稳风浪同步模拟方法;然后,采用所建方法,针对某大跨度桥梁进行了随机非平稳风浪同步模拟,给出了桥梁关键位置风速和波高时程样本,对比了模拟谱和目标谱,验证了所建方法的正确性;最后,针对此大跨度桥梁进行了风浪联合作用下的动力响应分析,比较了传统方法和本文方法得出的桥梁关键位置抖振力和波浪力,并对比了两种方法的位移结果.研究表明:本文方法可以同时考虑风浪相关性、风浪非平稳特性和风速空间相干性,实现随机非平稳风浪同步模拟,且具有良好的模拟精度;当随机模拟数组取值相同时,风浪相关性对风速和波高时程样本的影响与模拟点距离有关,总体上看,其对风速时程样本影响较小,对波高时程样本影响较大,进而对桥塔水下结构横向位移影响显著,所分析工况下变化率绝对值极值可达71.0%;风浪非平稳特性对桥梁水上和水下结构响应的影响均十分显著,因此进行随机非平稳风浪同步模拟具有合理性和必要性.

基于Deodatis法的输电塔风振响应时域分析

文章以沿海某地实际工程220 kV典型输电塔为研究对象,在分析抗风性能时,利用ANSYS建立输电塔三维有限元模型,分析该模型的动力特性,根据快速傅里叶变换(fast Fourier transform,FFT)技术和Deodatis的谐波合成法(weighted amplitude wave superposition,WAWS),对输电塔的随机脉动风场进行模拟并检验,然后基于Gauss模型计算作用于模型上的抖振力,将抖振力输入Gauss模型中,求得输电塔在不同风攻角作用下的结构抖振响应。分析结果表明,输电塔结构对不同风攻角、不同高度范围内的抖振响应敏感程度是不同的,主迎风面方向和离塔顶较近段的位置敏感性较强,总位移均方根最大值发生在风攻角为60°。研究结果可为同类输电塔的设计与抗风分析提供参考。

台风风场与B类风场作用下输电塔风效应对比研究

在边界层风洞中开展了台风风场与B类风场条件下某角钢输电塔气弹模型试验,采用谐波合成法模拟了不同高度的风速时程,在时域内进行了输电塔结构风致响应计算,对比研究了两类风场条件下的风致响应与风振系数.研究结果表明:输电塔风致加速度响应随着来流风速的增大而明显增大,台风风场条件下加速度响应更为剧烈,比B类风场条件大约20%~30%;B类风场条件下风振系数为1.59,台风风场条件下达到1.85,总体增幅达到16%;数值模拟结果与风洞试验结果较为吻合.因此,台风多发地区的输电塔设计应考虑台风高湍流引起的动力风荷载增大效应.

风时程模拟的高效高精度混合法

结合谐波叠加法(Weighted Amplitude Wave Superposition,WAWS)和自回归方法(Auto Regressive,AR)的优点,提出高效高精度新型混合法。在频域上开窗,将计算定义域划分为局部定义域。推导了应用于AR方法的Levison-Durbin矩阵递推公式,提出利用ACI准则判断最佳回归阶次。利用该混合法对大跨空间结构风速时程进行模拟。计算显示在保证计算精度下,该方法风速时程的模拟效率是谐波叠加法的数十倍;计算精度与自回归方法相比亦显著提高,且易于收敛。