输电线路所处复杂地形的风场数值模拟

输电线路在强风尤其是台风作用下极易受损。为了评估线路在台风中的风险,需要确切得知线路中各个位置的风速。采用计算流体力学方法,对台风中受损线路所处的复杂地形进行建模,获得高分辨率的风场信息。使用风速比来评估地形对风场的影响,数值模拟结果显示复杂地形能够显著影响不同区域的风速大小,导致不同的输电塔所受风荷载的巨大差异,从而解释了特定区域发生倒塔事故的原因。     

轻钢屋面自攻钉节点在台风作用下时变可靠度研究

为建立台风作用下自攻钉节点灾后性能评估办法,首先基于风洞试验的屋面时程风压系数数据,结合模拟台风的风速和风向信息,利用雨流分析法计算台风过境期间的屋面风压系数矩阵,进而用于不同风速下的节点抗力退化模型计算.其次,结合台风荷载模型,采用蒙特卡罗模拟方法,获得沿海城市自攻钉节点的时变可靠度指标,从而实现基于概率的自攻钉节点抗风性能评估.此外,根据模拟台风方法给出模拟台风的风速及风向的解析解,同时得到了台风致自攻钉节点抗力退化数学模型.通过算例分析得出考虑自攻钉节点的台风致抗力退化会使其可靠度显著下降.在对轻钢屋面自攻钉节点进行可靠度评估时,按照我国规范中的目标可靠指标较为保守.     

龙滩升船机塔柱抗风设计初步研究

文章结合工程的实际情况,采用极值Ⅰ型概率分布模型确定升船机的设计风速及设计风压,对龙滩升船 机塔柱结构抗风初步设计进行进行分析研究,为结构后期的抗风设计提供必要的设计依据。     

龙滩升船机塔柱抗风设计初步研究

文章结合工程的实际情况，采用极值I型概率分布模型确定升船机的设计风速及设计风压，对龙滩升船机塔柱结构抗风初步设计进行进行分析研究，为结构后期的抗风设计提供必要的设计依据。     

基于CFD的复杂地形风能分布研究

提出一种通过计算流体力学(CFD)计算风电场风速和风能分布的方法,该方法通过Argis软件对风电场CAD等高线图进行离散处理,按照风速玫瑰图分布,利用Fluent软件对复杂地形条件下风场按照12分度进行数值计算,并按照风速风向分布概率由Tecplot软件进行后处理,得到整个风场的风速分布特点和风能分布.将计算结果与WAsP软件作比较,结合地形特点进行分析,认为本文计算方法得到的结论较为可靠.     

浙江地形对台风Khanun影响的数值试验和机理分析

以2005年严重影响我国华东地区的登陆台风Khanun为研究对象,利用MM5模式对其登陆浙江过程进行了数值模拟,通过模拟结果和实况的对比表明,模式对台风路径和降水的模拟是成功的,在台风移向移速、暴雨强度和落区上与实况十分吻合,但在台风强度模拟上则较实况偏小.在控制试验比较成功的基础上,本文还设计了3个敏感性试验,分析了浙江地形对台风路径、强度和降水的影响及其机理,它们分别为地形加倍、减半和无地形试验.试验结果表明,浙江地形对台风Khanun移动路径没有显著影响,这可能与浙江地形高度较低和环境场强引导气流有关.在降水强度上,浙江地形对暴雨的增幅作用十分显著,由地形强迫产生的降水和地形走向相一致.迎风坡由于地形动力抬升作用有利于上升运动加强,使得对流发展旺盛,降雨量增加,背风坡降雨量减少,浙江中北部沿海地区由于地形强迫产生了与台风环流同位向的扰动使得台风环流明显增强,形成暴雨中心.有无地形影响下的螺旋度对比显示,暴雨增幅区与低层正螺旋度差值区和高层负螺旋度差值区相对应,螺旋度差这种高低层耦合是触发和维持台风暴雨的动力机制,有利于台风螺旋结构的维持和强降水的发生.     

不同气候下海峡两岸建筑抗风标准之基本风速比较

为明确闽台两地基本风速的合理取值,以台北市某气象站1961-2015年的实测风速数据为研究对象,基于两岸现行建筑结构抗风标准,分别选用年最大风速法和台风风速法取样,采用极值I型分布模型,对不同气候模式下的基本风速进行了比较研究.结果表明:对于相同的风速观测数据,根据台湾建筑抗风标准TB2015获得的极值风速略小于现行建筑抗风标准GB50009获得的极值风速(福建),而基本风速正好相反,但是两者之间的差别均很小;台风气候模式下的极值风速/基本风速预测值要大于混合气候模式下的对应值,且与实测极值/基本风速最为接近,误差均小于0.5％;对于受台风影响严重的海峡两岸地区,建议采用以台风风速法取样的台风气候模式下的基本风速.     

峡谷地形平均风速特性与加速效应

采用计算流体力学(CFD)方法建立多个数值模型,通过与风洞试验的对比分析验证了数值模拟结果的可靠性,较系统地研究并详细分析了峡谷长度、山顶间距、山脉坡度3种地貌因素对平均风加速效应的影响.结果表明:山脉顶部加速效应主要受山脉坡度的影响,在近地面内坡度越大加速效应越明显;峡谷内部加速效应受多种地貌因素影响且变化趋势较为复杂,必须考虑峡谷侧坡边界层的影响和流动的三维效应,当峡谷长度越短、山顶间距越小、山脉坡度越大时,迎风谷口处在近地面内的加速效应越明显.最后计算出典型峡谷的风压地形修正系数,并与我国建筑结构荷载规范进行对比.     

岛屿地形对涡旋Rossby波传播影响的研究

首先在静止基本状态下,从线性f平面极坐标浅水方程出发,利用WKB方法求解方程,在理论上给出了一类由于地形βeff作用引起的Rosbby波的传播特征解,此类Rossby波类似于涡旋Rossby波(VRW),其中地形βeff作用与台风涡旋基态的垂直相对涡度径向梯度作用相似,此分析解可帮助理解地形对涡旋Rossby波的影响作用.在此基础上,利用一个高分辨率的浅水模式具体讨论了圆形、类似于台湾岛屿椭圆地形对VRW传播以及结构特征变化的影响.结果表明,地形对VRW的传播速度,台风内区的非对称结构的变化均构成影响.当台风位于地形东南一定距离处,与无地形相比,涡量向内向外传播均增强,扰动能量增大,涡量环绕地形中心沿等高线顺时针方向移动,局域风速增大,并形成尺度为几十公里左右的强局域风速区,平均风速减小.     

内陆高山微地形区风速分布特征及其经验模型研究

特高压线路建设过程中的风偏设计参数主要依据以往标准;但以往标准并未就线路途经微地形、微气候的情况进行深入探讨,从而留下了安全隐患。为此研究了微地形条件下的风速分布特征,提出了内陆高山微地形下的风场模型;包括风速概率分布以及极值风速重现期。根据河南省电力公司尖山试验基地特高压真型试验塔的风速数据,分析了该模型的有效性与一年中不同时间段风速分布的变化,建立了尖山山区微地形下风加速模型。研究表明广义极大值模型在描述内陆高山风场特征方面效果最好,内陆高山风速随高度变化呈幂指数关系,微地形影响下风速放大比例最高可达30%。研究发现夏季时风速整体偏大,因此线路运行过程中应当更注意夏季时的风偏防范工作。     

运动学效应对登陆台风近地面风场模拟的影响

以2016年超强台风"莫兰蒂"为例,采用天气研究与预报模型(WRF)耦合加利福利亚气象模型(CALMET)的方法,提出了适用于台风条件下的CALMET运动学效应改进方案(KETT)。结果表明,KETT方案可以成功消除CALMET原有运动学效应带来的风场模拟系统性误差,并且10 m高度风速和风向模拟误差比原有方案分别降低10.8%和5.4%。在石蛇山区域,与不采用运动学效应相比,KETT方案10 m高度风速和风向的模拟误差均降低12%以上,能够更准确地反映局地地形对台风近地面精细化风场的影响。     

台风风特性现场实测与数值模拟研究综述

台风风特性的现场实测与CFD(Computational Fluid Dynamics)数值模拟是研究台风作用下结构风效应和城市地形风场特性的主要方法。采用综述形式，对当前台风风场特性现场实测与数值模拟研究的基本方法、主要内容、待解决问题及未来发展趋势进行了归纳及总结。现场实测台风数据为台风风特性的研究提供有力的科学根据，在数值模拟软件中对台风风场进行模拟极大方便了对台风风特性的研究。目前，台风实测数据还十分有限，台风非平稳性和地域性差异等因素导致难以用数值模拟的方式准确描述城市地形风场环境。未来，需以现场实测和数值模拟相结合的方式，总结风场特性，对城市地形风场建立适配的台风数学分析模型，得到合适的结构设计风参数选值方法。     

台风作用下输电线路风振系数及抗风性能研究

为研究良态风与台风作用下的输电线路风振系数,以广东省国古线一铁塔为原型建立了有限元模型,采用谐波叠加法模拟了台风风场,并开展了动力分析.首先,对比了5种国内外设计规范的风振系数计算方法,发现各规范均未单独考虑台风的强脉动特性;然后,基于惯性力法获取了铁塔风振系数并揭示了塔线耦联效应的影响.最后,利用生死单元法定量评估了两种风场下输电线路的抗风性能.结果表明:台风的高湍流特性导致顺风向风振系数大于良态风对应值;导线可增大铁塔横风向基频,并使铁塔振型由单塔的弯曲型变为塔线体系的弯剪型,塔线体系横担处风振系数大于单塔;湍流度从0.14提高至0.20,临界倒塌风荷载降低约11%.因此,台风多发地区的输电塔设计应适当提高湍流度取值,必要时还应考虑塔线耦联效应.     

地形起伏变化下的边界层参数化台风风场模型

对于登陆台风来说,采用平坦下垫面和单一的地表粗糙长度假设并不能与实际情况相吻合.为了更准确地模拟台风近地面风场,基于现有参数化台风风场模型,采用随地形变化的坐标系建模方法和高精度地形与土地覆盖资料,考虑了台风登陆过程中地形起伏和土地覆盖变化的影响.针对历史上影响广东省的3个台风案例,利用大量观测数据对比和验证了改进后的台风风场模型.对比结果表明:改进后的参数化台风风场模型对风速的模拟并没有表现出明显的系统偏差,并且能较好地模拟出台风登陆过程中风速风向的时程变化.     

台风载荷作用下输电塔线体系时程分析及补强措施

为研究±800 kV输电线路所使用的横担较长的铁塔在受到台风载荷作用时的时程响应分析,通过建立三塔两线有限元模型,基于风速不随高度变化的Von Karman谱,利用谐波叠加法生成了基准风速为50 m/s的风速时程,应用模拟的台风载荷进行时长为50 s的时程分析,共分析了风载荷45°、60°、90°作用下塔线体系的三种情况。仿真结果显示,在45°和60°风作用下,铁塔中部、塔头和塔身连接的平口处应力超过屈服强度,导、地线挂线板处所受应力也超限,铁塔在90°风作用时,塔身腰部主材和塔腿主材应力也超过屈服强度。要预防台风对铁塔的破坏,应该从上述三个部位对铁塔进行补强,在塔腿及塔腰之间增加水平材是一种有效的加固措施。     

影响长江口深水航道骤淤的非常态天气过程 Ⅱ:台风要素敏感性分析及典型台风路径

为进一步研究台风中心气压、台风距离长江口距离(简称距离)、最大风速半径和移动风速4个典型参数对长江口航道骤淤的影响水平,采用正交试验方法,设计了64组典型试验工况,选择藤田-高桥圆形风场经验公式架构了台风场,然后采用SWAN模型模拟不同台风工况的波况,并计算牛皮礁站的波能。据波能的极差分析和方差分析,得出台风要素的敏感性次序。研究表明,长江口过境台风中,距离最敏感,而最大风速半径为较不敏感因素。选取主要的敏感性参数(距离、中心气压)为代表参数,概化移动风速和最大风速半径。在合理选取能够引起骤淤的临界波能的标准下,给出较易引发骤淤的典型包络线范围,为骤淤的预报提供了新的参考指标。     

基于微气象微地形的北京地区输电线路覆冰预测技术

实现输电线路覆冰预测是保障北京地区输电线路在覆冰季正常运行的关键技术。针对北京地区输电线路覆冰预测技术研究,采用皮尔逊相关系数和灰色系统关联度分析方法,利用历史数据研究覆冰厚度与微气象微地形的相关性,得出湿度、坡向、风向和高程对覆冰厚度影响程度较高;通过多种环境特征要素组合构建基于极限随机树模型和灰色系统预测模型的覆冰预测模型,对比不同模型的预测结果的均方根误差（RMSE）,得出由湿度和风向组合构建的灰色系统覆冰预测模型效果最佳。研究结果表明,与同类预测方法相比考虑了微地形对覆冰厚度预测的影响,得到北京地区输电线路覆冰厚度相关性较高的环境因素为湿度、坡向、风向和高程;对比多种环境要素构建的覆冰预测模型,湿度和风向组合的灰色系统预测模型的均方根误差明显优于其它组合,可以有效实现北京地区输电线路覆冰预测。     

登陆北部湾北部台风对广西近岸水位变化的影响分析

根据台风"纳沙"登陆期间广西白龙半岛南面海域1km处S1站连续的实测海流剖面资料,白龙尾F1站的水位资料和台风"榴莲"登陆期间铁山港石头埠F2站的水位资料,分析登陆北部湾北部台风对广西近岸水位变化的影响,得出如下结论:在无台风期间,S1观测点表层的最大实测潮流流速为40.0cm/s,表层的最大余流流速为20cm/s。在台风登陆期间,S1观测点表层的实测潮流最大流速为103.7cm/s,表层的最大余流流速为39.7cm/s,比无台风期间高2倍左右。但随着水深的增加,潮流和余流的流速逐渐减小;岸站F1、F2的水位变化过程是,台风登陆前,水位减至最低;台风登陆后,水位增至最大,水位的增、减变化与台风作用过程有关。同时,认为台风登陆期间广西沿岸水位的抬升和下降变化与风、港湾地形、大气重力波所产生的共振作用有着密切的关系。     

非平稳台风-桥分析系统

 从风场模拟、验证和荷载处理3个方面考虑台风非平稳特性,构建了台风-桥分析系统。构建了台风风场模拟验证系统方法,基于非平稳风速模拟方法建立台风风场模拟方法,并引入非均匀调制进化谱对模拟风场进行验证;基于良态风荷载处理方法,建立了台风荷载处理方法,并采用APDL语言进行ANSYS二次开发,建立台风-桥时域分析系统;采用建立的分析系统对台风作用下某斜拉桥桥梁响应进行分析。结果表明,模拟功率谱和验证进化谱吻合良好,提出的台风风场模拟和验证系统方法合理有效;模拟台风风速与台风作用下的桥梁响应时程曲线均与时变平均风速变化趋势相同,且波动幅度随时变平均风速的减小而减小;基于平稳特性经典风谱直接对台风风场进行模拟不合适。