土木工程相关的台风近地风场实测研究

采用三维超声风速仪现场观测了台风"珍珠"和"派比安"的登陆过程,分析了两次台风过程的平均风速、风向变化历程以及台风脉动风速的概率密度分布,进一步研究了台风湍流强度、湍流积分尺度与阵风因子.结果表明:在低风速情况下,台风脉动风速接近正态分布,湍流强度与阵风因子存在近似线性关系,可用相关经验公式进行拟合。两次台风过程实测风速谱均可与某种理论谱模型较好吻合,通过拟合可以降低实测谱与理论谱的偏差。     

台风非平稳湍流特性研究进展与思考

台风湍流特性研究一直是结构风工程领域的重点研究方向之一.与传统良态风存在明显差异,台风是具有突出非平稳特性的特异风场,其湍流特性十分复杂,难以采用良态风场参数对其进行表征.基于国内外长期现场实测与分析所取得的成果,本文对台风非平稳湍流特性的研究进展进行综述,归纳总结台风非平稳湍流特性的分析方法及参数模型.首先,回顾了平稳与非平稳风速模型,对比分析二者之间的特点与区别,并介绍时变平均风速的有效确定方法.随后,针对湍流典型统计特征参数,从湍流强度、湍流积分尺度、演变谱密度、时变相干函数等方面阐述台风非平稳湍流特性的研究进展,并重点讨论当前面临的困难与挑战.最后,对台风非平稳湍流特性有待进一步深入研究的问题进行展望.     

润扬大桥悬索桥桥址风环境的长期监测与分析

基于结构健康监测系统记录的2006年桥址日常持续风环境数据,开展了润扬大桥悬索桥桥址平均风特性及湍流脉动特性的分析研究,给出了湍流度、阵风因子、湍流积分尺度及脉动风功率谱密度函数的推荐值或公式,进一步研究了平均风速与上述湍流特征参数的相关性以及湍流特征参数之间的相互关系.分析结果表明:①湍流度、阵风因子和湍流积分尺度的实测统计值均高于规范推荐值;②纵向风谱拟合模型与Simiu谱较为接近,但横向风谱拟合模型则与之相差较多,并且都存在拟合模型中湍流动能往高频偏移的现象;③湍流度、阵风因子和湍流积分尺度之间存在较为明显的相关性,并且与平均风速也存在一定的相关性.     

基于近海海面观测的台风黑格比风特性研究

根据在博贺海洋观测站测得的0814台风黑格比三维风速时程,首先探讨了实测数据质量的判别准则及处理方法,进而研究了平均风场特性:风剖面、风攻角、梯度风高度以及脉动风场特性:湍流强度、阵风因子、时间尺度、积分尺度、脉动风速谱等。研究结果表明:近海海面指数律风剖面指数a远小于建筑结构荷载规范推荐值;台风风场结构本身存在3°～7°正攻角;在近海海面上阵风因子均值为1.23;顺风向湍流强度平均值为0.10,三向湍流强度的比值为1∶0.80∶0.43;水平向时间尺度基本上均小于30s,竖向时间尺度均小于10s;纵向和横向积分尺度较为接近,大于竖向积分尺度;不同区域的实测风速谱与各经验风速谱均存在一定差异,与von Karman谱吻合相对较好。     

磁流体湍流中的结构和能量传输

磁流体湍流中存在多种相干结构,包括电流和涡旋结构。文章主要对近几年有关磁流体湍流相干结构及其相关的能量传输的一些工作进行了介绍。不同于中性流体湍流中的管状结构,磁流体中的相干结构多呈现为片状,强电流片附近也存在强涡片结构。磁流体湍流中的能量级串使能量跨尺度从大尺度传递至小尺度;与中性流体湍流能量传输主要集中在相近尺度上不同,磁流体湍流除了动能传输,还有磁能传输,以及动能与磁能之间的跨尺度互相转换。研究表明,磁流体湍流中的能量传输及耗散具有强间歇性,集中在较小区域范围,且与相干结构存在关联。在存在背景磁场的情况下,磁流体湍流中的相干结构在背景磁场方向上被拉长,而同样方向上的能量传输受到抑制。在高马赫数的情况下,激波的产生会使能量传输明显增强,同时带来很强的间歇性,结构函数标度律远远偏离线性标度关系,并且随着阶数的增加,标度指数会达到饱和值。     

苏通大桥实测强风湍流积分尺度的对比研究

湍流积分尺度是体现风特性的重要指标之一,而现场实测是获得工程结构准确可靠的风特性的唯一有效手段.本文利用苏通大桥结构健康监测系统(SHMS)采集的风特性数据库,选取该桥址区2008年夏季的“凤凰”、“海鸥”台风及冬季北风为样本进行强风特性分析.其中采用4种常用计算方法重点研究了桥址区强风的积分尺度,并对比了不同方法的计算结果以验证其可靠性.最后分析了湍流积分尺度随高度和平均风速等的变化规律.结果表明:湍流积分尺度与风速之间无确定关系,塔顶湍流积分尺度较跨中大.分析结果充实了苏通大桥风特性数据库,可为湍流积分尺度的分析计算提供参考,并为苏通大桥的强风环境和抗风评估提供了实测依据.     

城市地貌高空台风特性及湍流积分尺度的研究

基于2014年第10号台风"麦德姆"在城市地貌的高空实测风场资料,共选取五个时距(30s、1min、5min、10min和20min)进行分析,得到平均风速、风向、湍流度、阵风因子和脉动风速谱等强风特性;然后采用两种基于Taylor假定的方法来计算湍流积分尺度,分别从平均风速、湍流度和阵风因子等要素来探讨不同时距对湍流积分尺度的影响。分析结果表明:当平均时距为5min时,计算得到的平均风速较大、湍流度和阵风因子均较小,对应的方差与变异系数也较小,根据其计算得到的湍流积分尺度分布最为集中,其中又以自相关函数积分法得到的方差最小,最为合理。     

关于风洞中用尖劈和粗糙元模拟大气边界层的讨论

尖劈和粗糙元广泛地应用于风洞试验中的大气边界层模拟，该技术成功模拟了不同地貌特征的平均风速和湍流度剖面。随着风工程研究的深入，了解尖劈和粗糙元模拟过程中的作用机理有助于准确地模拟各种大气边界层湍流功率谱和尺度特性。试验表明：尖劈利用其迎风平板的分离流产生湍流涡旋，迎风板的宽度决定了涡旋的大小和湍流脉动强度，同时迎风板阻塞比沿高度递减产生近似线性的风速剖面；粗糙元用于模拟实际地面的摩擦效应，调整平均风速和湍流度的剖面分布。遗憾的是，尖劈下宽上窄的结构特点决定了该技术模拟的湍流功率谱和积分尺度的高度变化律与实际大气边界层相反。基于对模拟机理的认识，异型尖劈上部形状有助于模拟大比例模型试验要求的湍流风场。     

润扬悬索桥桥址区实测强风特性的对比研究

2005年8月与9月期间,台风"麦莎"和"卡努"分别袭击江苏,润扬悬索桥健康检测系统(WASHMS)记录了经过桥址区的两个强风样本.通过对实测风速风向数据的分析,得到了平均风速和风向、湍流强度、湍流积分尺度、湍流功率谱密度函数等强风特性.分析结果表明,桥址区实测"卡努"台风的湍流强度比"麦莎"台风的要高,且二者均高于规范建议值;二者水平湍流功率谱密度函数与Kaimal谱均吻合得不太理想,低频段偏低,高频段偏高.最后对实测的脉动风谱离散数据进行了非线性最小二乘法拟合,得到拟合自谱曲线及相应的拟合参数,为该桥的抗风研究提供参考.     

沿海复杂地形台风登陆过程风场多尺度数值模拟

我国沿海地区的台风风场研究与预报具有显著的经济和社会效益.多尺度风场数值模拟方法是将WRF中尺度数值气象模拟同小尺度风场大涡模拟结合的数值模拟方法,可实现台风影响下沿海复杂地形风场的精细化研究.本文以2012年台风启德为背景,通过WRF模式有效再现了台风中心路径和近地平均风速风向的24?h时程;采用循环入流方法,将WRF得到的平均风剖面中加入高频风速成分,并作为复杂地形风场大涡模拟的入口条件,模拟近地风场的时间和空间分布.研究表明,台风登陆后受到沿海复杂地形的影响,近地流向湍流强度较海面上增强1倍左右,风速高频成分显著增强,并出现了0.73?m/s向下的竖向平均速度,对局部地区的抗风安全产生较为不利的影响.     

广州中信广场台风特性与结构响应的相关性分析

基于台风“达维”登陆时广州中信广场风场及结构响应的现场实测数据,对于风场特性和结构加速度响应状况进行了计算分析,计算分析结果表明,城市上空强风“达维”的湍流度比较大,在台风“达维”作用下结构的横风向响应与顺风向响应接近;同时在不同的时距条件下对风场特性与结构加速度响应的相关性进行了分析,由分析可知取3min为基本时距时风速与结构响应的相关性系数值较高,说明在确定结构的风荷载和计算结构风致响应时取基本时距为3min更为合理。     

温度边界层对壁湍流多尺度相干结构的影响

用热线风速仪以高于对应最小湍流时间尺度的分辨率精细测量了风洞中壁面加热平板湍流边界层不同法向位置流向速度分量的时间序列信号, 与常温情况相比, 热对流加速了壁湍流中流体的动量、质量和能量的交换, 加快了湍流边界层的发展;用子波分析方法研究了壁面加热对壁湍流多尺度相干结构喷射和扫掠条件相位平均波形的影响, 显示热对流明显增大了缓冲层相干结构扫掠过程和喷射过程的强度, 是增强壁湍流中流体的动量、质量和能量交换的根本原因.      

风力机对大气边界层近地层影响的数值模拟

为研究风力机运行对大气边界层近地层的潜在影响,采用 Gambit 软件建立风力机及风场模型,应用 UDF加载边界层速度分布函数作为流场入口边界条件,基于尾流特性及湍流理论,应用 Fluent 软件模拟单台风力机运行对大气边界层近地层的影响,通过分析风力机下游不同位置处的速度及湍动能以及其随高度的变化情况来进行分析研究。模拟结果表明风力机的运行会造成近地层内原本均匀分布的大气流场发生明显变化。与初始速度分布相比,流体流经风力机后,轮毂处风速迅速降低,随后逐渐增加,但随着向下游的延伸,速度增加的梯度逐渐降低,且在距离风力机17倍风轮直径后仍未增至来流速度;在竖直方向上速度分布呈现出逐渐增加的趋势,但在风轮位置处明显下降,随着空气继续向后流动,影响面积在扩大,但是趋势逐渐变缓。同时湍动能也发生较大变化,在近风轮处,由于轮毂区域的风速与周边的风速存在较大差异,所以造成近风轮处的湍动能迅速增大,随着流体向下游的延伸,与周边流体逐渐混合扩散,湍动能逐渐降低;湍动能在竖直高度上的分布在近尾迹区呈现出由地面至高空先减小后增大,再减小再增大的趋势;而远尾迹区域则先减后增,不过在到达一定高度后几乎都不再变化。由于大气各种通量的变化等也与风速、湍动能相关,所以风力机会对对其周边环境造成影响而不仅仅局限于近地层的风速、湍动能。     

可压缩湍流的多尺度分析

作者的研究团队近几年在可压缩湍流的多尺度性质方面开展了系统的研究工作.通过多过程分解,研究了可压缩湍流中的速度和热力学量的剪切部分、胀压部分、伪声模态、声模态、熵模态的多尺度性质,并总结了各类可压缩条件下的速度和热力学量的谱的标度律.通过滤波方法,研究了动能和热力学量的多尺度传输现象,并重点分析了可压缩性对动能胀压部分...     

大气边界层风洞流场特性的模拟

风洞中大气边界层模拟的准确度是保证风洞试验结果准确度的重要因素。本文采用了一种新型曲边梯形尖塔,并结合粗糙元等被动装置对风洞大气边界层模拟进行了研究,模拟出我国规范中的A、B、C和D类四种地貌并将结果和已有的研究结果进行比较。结果显示：所采用新型结构尖塔可以显著提高风洞大气边界层中部以上高度的湍流度,整个湍流度剖面基本覆盖了西方主要国家规范对此项指标的建议值。文中还调试出平均风速剖面不变而湍流度分布可变的流场,为开展相关的结构抗风研究奠定了基础。     

网格湍流CAARC模型风洞实验

对大气湍流边界层的真实模拟是风工程风洞模拟实验所要满足的基本条件之一，平均速度剖面，湍流度剖面，积分尺度和风谱是反映大气湍流边界层流动的四个最基本的因素。本文首先研究了不同孔隙率的均匀网格湍流场的流动特性，得到湍流度，积分尺度以及风谱的变化规律，然后在变化基中某一个因素而保持另外三个因素不变的条件下，研究了处于均匀网格湍流场中的CAARC模型风荷载响应的变化，从而确定每个因素的独立变化对模型所受风荷的影响。实验结果表明湍流度和积分尺度对结构物所受风载都有很重要的影响，在风洞大气湍流边界层模拟中应该予以充分的考虑，否则将会引起风荷载实验结果的偏差。     

大跨度斜拉桥钢桥塔基于涡振的气动选型及驰振性能风洞试验研究

大型钢桥塔在中国应用较少,其风振特点与常规混凝土桥塔有较大差异。以大跨度斜拉桥＂人＂字弧线形钢桥塔为工程背景,采用考虑三维绕流特性的气弹模型,针对塔柱可能的断面形式进行了多工况的对比试验,并对风洞试验结果进行分析讨论,进而确定最优断面形式。根据确定的断面形式,对该桥桥塔进行了大缩尺比的气弹模型风洞试验,较全面地考查了该桥桥塔的涡激振动及驰振性能,并对比了阻尼比对桥塔涡激振动振幅及驰振临界风速的影响。试验结果表明：当塔柱断面切角为0.8m×0.7m时桥塔涡振响应最小,相应的扭转驰振临界风速较高。     

某涡轮导向叶片换热实验与计算

针对某涡轮导向叶片,实验测量了光滑叶片表面的压力系数和速比系数,并使用瞬态液晶测量技术获得了叶片全表面传热系数分布.分别使用shear stress transport（SST）,k-ω,k-ε和renormalization group（RNG）k-ε四种湍流模型模拟了相同结构尺寸的叶栅通道内的流动与换热,并与实验结果进行对比.结果表明:压力面压力系数沿弧长方向逐渐下降,吸力面上压力系数先快速下降达到最小值后缓慢上升（出现逆压梯度）.叶栅通道和叶片表面附近气流流动结构的复杂性导致叶片表面传热系数分布较为复杂.4种湍流模型对压力系数和速比系数的计算结果相互差别不大,计算数据也比较接近实验值.关于叶片表面传热系数,SST模型计算结果分布规律与实验接近,而其他3种湍流模型都没有能模拟出吸力面边界层分离对换热的影响.      

不同湍流度下吹风比对涡轮导向叶片吸力面气膜冷却的影响

采用基于窄带热色液晶测量的瞬态全表面传热测量技术,研究了不同主流湍流度下的吹风比对涡轮导向叶片气膜冷却的影响,获得了叶片吸力面侧圆柱形孔排气膜冷却效率和表面传热系数比的全表面分布数据。结果表明:由于气膜射流与主流掺混的相互作用会随着主流湍流度的变化而变化,因此在主流湍流度不同时,吹风比对气膜冷却效率和表面传热系数比的影响规律会有所不同;主流湍流度较小时,吹风比的增大会显著减弱气膜覆盖效果与气膜冷却效率,但是在大湍流度下,吹风比的影响较弱,尤其是在远下游区域;相同的主流湍流度条件下,吹风比的增大会使得表面传热系数提高,但是在大湍流度下,换热增强效果较弱;相同吹风比下,高湍流度下的表面传热系数比相对较小。      

沟槽表面边界层湍动能分布规律

 通过对不同风速下不同尺寸V型沟槽表面及光洁平板表面边界层内湍动能的测试,对比分析了沟槽表面边界层湍动能的分布规律。试验在一小型专用风洞中开展,流场测试中使用恒温式IFA300智能型流动分析仪,测试模型则采用有机玻璃材质的矩形平板结构;而在沟槽表面理论零点及壁面摩擦速度的计算中,采用基于湍流边界层Spalding壁面律公式同时计算壁面理论零点和壁面摩擦速度的改进方法。最终研究结果表明,沟槽结构主要影响边界层流场的近壁区,沟槽的存在提高了边界层中黏性底层内湍流脉动所具有的动能,有效降低了边界层中过渡区内的湍动能,最大相对降幅超过10%,较好地验证了基于“二次涡”的沟槽表面减阻理论。