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.     

随机风场空间相干性研究

提出了一种描述随机风场空间相干特性的相位差谱模型,可用于大范围随机风场模拟.经典理论中一般采用相干函数来描述空间风场相干特性.研究发现,相干函数只是二阶数值特征,远不能描述两点脉动风速相干特性的丰富概率信息.研究表明,Fourier相位差谱可以对脉动风速时程的相干特性进行全面的描述.基于对影响相位差主要因素的分析,提出了相位差谱的基本模型.通过与实测相位差谱的比较,验证了所提模型的合理性与适用性.应用该模型进行了风场模拟,效果良好.     

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.     

脉动风速随机傅里叶谱模型的参数聚类分析

脉动风速随机Fourier谱模型为脉动风速模拟提供了一条基于物理的建模途径.为了实现对这一模型基本参数概率分布的合理建模,阐述了模型基本参数的物理含义,利用实测风速记录识别了基本参数的概率分布.分析发现,分界波数的统计分布出现典型的双峰形态;由原始识别结果的统计分布导出的功率谱与Kaimal谱在中、低频段有较大差别.深入研究表明,分界波数有显著的聚类特征.基于此,采用kmeans函数聚类方法分析了分界波数的数据结构,指出上述异常现象与参数的聚类结果密切相关.根据聚类结果,合理地筛选实测风速记录,进行了分界波数的建模.     

基于多维AR模型的桥梁随机风场模拟

基于自然风特性,通过考虑结构节点间风速时程的空间相关性,采用多维AR模型模拟主梁和桥墩节点随机脉动风速时程,利用FPE准则和AIC准则确定模型阶数,并对模拟过程中的自回归顺序、功率谱密度等问题进行研究.对兰新二线铁路白杨河大桥采用多维AR模型模拟各节点的脉动风速时程,结果表明:当AR模型阶数为4时,模拟功率谱与目标功率谱吻合较好;当自回归顺序颠倒时,模拟功率谱明显偏离目标功率谱.     

超高层建筑风压的频域特性

对10个典型的超高层建筑模型进行了细致的风洞试验，对模型表面的脉动风压系数的功率谱、水平相关系数和竖向相关系数、水平和竖向相干函数进行了细致分析，讨论了风场对脉动风压频域特性的影响．迎风面脉动风压的主频接近来流脉动风速主频；而侧面脉动风压的能量主要集中在漩涡脱落频率处．脉动风压的水平和竖向相干性均高于风速的相干性．     

考虑风与结构耦合作用的张弦梁结构风振响应分析

基于自回归(AR)模型考虑空间相关性,对张弦梁结构的随机脉动风进行数值模拟;利用有限元软件AN-SYS,考虑风速与结构速度的耦合作用,以材料阻尼模拟气动阻尼对结构进行风振响应分析,求得结构时程响应曲线;脉动风速样本的功率谱与目标功率谱比较结果吻合良好,表明所采用的随机过程模拟理论可靠,风速时程数据的计算机仿真程序有效;同时探讨参数变化对结构风振响应的影响.     

脉动风速随机Fourier波数谱研究

从物理机制出发,建立了具有扎实物理基础的脉动风速随机Fourier谱模型.首先,基于大气湍流物理图景,阐述了湍流中的涡旋尺度和风速能谱不同子区的对应关系.以脉动风速在剪切含能子区和惯性子区所符合的不同幂次规律为基础,建立了随机Fourier谱模型,指出上述两个子区分界波长ιc对应实际物理过程中含能大涡尺度和平衡范围涡旋...     

高速列车车门稳态风致载荷作用下的载荷谱模拟

考虑随机风载荷对高速列车车门疲劳强度的影响,以某型号高速列车车门结构为研究对象,对风致载荷作用下的车门载荷谱进行模拟.选择Karman修正风速谱作为目标谱,采用贝叶斯信息量准则确定自回归模型阶数,以线性滤波法模拟随列车移动点脉动风速时程.引入气动导纳系数,并结合风速与风压的关系模拟车门的非定常气动载荷.研究成果表明,风速和风压仿真功率谱与其相应的目标谱在仿真频段内均吻合良好,满足车门疲劳强度试验的实施要求.     

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.     

大跨度桥梁脉动风场的随机模拟

首先分析了一种宽域平稳随机过程的特性，然后基于频谱表达方法并利用Kaimal风谱函数的特性，提出了一种模拟桥梁脉动风场的高效率方法；证明了采用本方法模拟产生的脉动风场具有各态历经性，满足目标互相关函数；最后给出了一个计算示例。     

山地风场中圆形截面超高层建筑风荷载谱

为了研究山地风场中超高层建筑的风荷载和风振响应特性,必须了解复杂湍流变化对建筑风荷载的影响。在风洞中模拟了4种湍流度,通过3个不同高宽比圆形截面超高层建筑模型,考察了来流湍流度、建筑高宽比、层高度等因素对顺风向和横风向风荷载功率谱影响规律。针对2个方向风荷载功率谱的特点分别采用不同荷载谱模型进行了参数拟合,再以湍流度、建筑高宽比为基本变量对荷载谱模型参数进行二次拟合,初步建立了复杂山地圆形截面超高层建筑风荷载功率谱的数学模型。最后给出一个实例,通过具体山地风速和湍流度剖面,根据提出的建筑风荷载功率谱数学模型,比较了山地和平地圆形截面超高层建筑的风振响应。     

考虑流固耦合的近海风机动力响应数值计算

研究了固定式海上风机的流固耦合问题.选取美国可再生能源实验室(NREL)建立的5 MW海上单桩式风机模型,采用Kaimal谱和风剪切指数理论模型,通过NREL编写的程序—TurbSim,生成脉动风场,进而使用气弹程序FAST计算风力机的气动荷载,输出包括剪力和弯矩在内的塔顶荷载时程.选取Pierson-Moskowits波浪谱,并利用谐波叠加法模拟随机波浪.采用Morison公式计算波浪力,分别建立了海上风机塔架考虑与不考虑流固耦合效应时的动力方程及数值模拟方法,并对比分析了这两种情况下的波浪力和结构响应的差异.结果表明,两种情况下计算得到的波浪力和风机响应有明显差异,并且这种差别跟风浪大小等因素有关.     

湍流度对水平轴风力机尾流及转矩特性的影响

基于一台33 kW的水平轴风力机,利用大涡模拟耦合致动线的方法,模拟均匀来流以及不同湍流度来流条件下的风力机尾流流场,研究湍流度对水平轴风力机尾流及转矩特性的影响.结果表明:湍流来流时风力机尾流与周围流场的能量交换比均匀来流时更强,湍流掺混速度更快,从而使得尾流区速度恢复加快,且湍流度越大,速度恢复越快;相较于均匀来流,湍流来流时风力机尾流速度的最大亏损率减小,但湍流度大小对尾流速度最大亏损率影响较小;尾流半径增长速率在风轮平面至风轮后两倍直径范围内逐渐减小,在两倍直径之后基本不变;湍流会使尾流膨胀程度增强,且湍流度越大,膨胀程度越强;在11 m/s风速条件下,湍流度增大导致风轮转矩时均值减小,波动幅度增大,风轮转矩在高频与低频部分的能量升高,并且低频部分能量升高得更快.     

高速湍流风下漂浮式风力机系泊失效动态响应研究

以Barge平台5 MW风力机为研究对象,基于叶素动量理论、势流理论及有限元法建立平台气动−水动−系泊动力学模型,考虑风浪同向入射的最恶劣情况下的系泊失效,此时漂浮式风力机承受风浪载荷最大,系泊最易因疲劳及冲击载荷发生失效,对比分析高速湍流风与稳态风作用下不同位置系泊失效前后平台动态响应及系泊张力。结果表明,迎风浪侧系泊失效对多个自由度响应有显著影响,背风浪侧系泊失效主要影响纵荡、纵摇和艏摇响应,在高速湍流风作用下,平台瞬态响应加剧,横荡方向的漂移距离增加,纵荡波动幅值提高,迎风浪侧系泊张力最大值及平均值明显增大,且越靠近迎风浪侧系泊平均张力越大。因此,出于安全性考虑,平台系泊设计应考虑高速湍流风的影响。     

大跨度屋盖风荷载的大涡模拟研究

应用一种新的湍流脉动流场产生方法DSRFG(discretizing and synthesizing random flow generation)模拟风场实际的湍流边界条件.采用一种新的大涡模拟LES(Large Eddy Simulation)的亚格子模型,基于linux系统下软件平台Fluent6.3的并行计算技术,计算了长沙机场扩建航站楼屋盖结构在5个风向下的风荷载.根据对机场屋盖的平均风压和脉动风压系数分布规律的分析,给出了各风向角下屋面的表面风压分布特性和最不利风向角,为长沙机场扩建航站楼的抗风设计提供了依据.并为进一步发展此类复杂建筑结构在复杂湍流环境下的风荷载数值风洞技术提供参考.     

深圳大运体育中心行人风环境的大涡模拟

建筑群附近风环境的品质,直接影响地面行人的舒适与安全。以深圳大运体育中心主要建筑为工程对象,采用一种新的湍流脉动流场生成方法(discretizing and synthesizing random flow generation,DSRFG)模拟风场的实际湍流边界条件,基于数值模拟计算软件Fluent,对深圳大运会体育场馆为中心10 km范围内的山体和主要建筑物进行全尺寸大涡模拟计算,得到各风向角下体育中心速度场分布。结合当地气象资料,采用超越阈值概率法对体育场馆周围场地行人风环境进行预测与评估,并对风环境较差地区的成因进行分析并提供改良建议。结果表明:该研究方法可以较准确地预测出建筑群周围风环境分布,并为类似体育场馆设计的合理性以及行人风环境的研究与优化提供有价值的参考。     

某大型机场航站楼结构风载体型系数的数值模拟

以昆明新机场航站楼工程为背景,基于Fluent软件建立计算模型,采用标准k ε 湍流模型,数值模拟结构表面风场风压,并与风洞试验结果对比,获取结构风载体型系数.分析了不同风向角下屋面风载体型系数的分布和产生机理.计算结果表明：计算流体动力学(CFD)数值模拟方法可以较为准确地反映结构表面实际风压的分布规律,但数值方法结果比风洞试验结果的绝对值略偏大;在不同风向角时,屋面风载体型系数变化较大.根据当地风环境条件数值计算并经比较分析而获得的最不利风压分布,可应用于工程抗风的初步设计.