SWAN模型风能输入项的改进与验证

为了分析第三代海浪数学模型——SWAN模型的风浪模拟能力,分别计算了恒定风场和台风时变风场下的波浪场.恒定风场中假定不同的风速及风区长度,通过比较SWAN模型与SMB方法等经验风浪公式的计算结果,得出SWAN模型风浪模拟的适用范围.针对大风速下计算波高偏大的情况,通过分析参考波速引起的输入风速变小及拖曳力系数饱和等因素,提出了风能输入项的修正方法,并采用同步观测的风、浪资料对修正前后的计算结果进行了比较验证.结果表明,在大风速情况下,修正后的SWAN模型的模拟波高更接近于经验公式结果及实测数据.在SWAN模型风能输入项中引入参考波速引起输入风速减小及对拖曳力系数饱和因素的修正,可以更好地模拟大风速下的波浪场.     

大跨度空间钢管桁架结构的风振响应和风振控制研究

为了获得大跨度空间钢管桁架结构在风荷载作用下的实时受力、变形情况和风振系数,本文采用自回归法编制计算程序,数值模拟具有空间相关性的大跨度空间钢管桁架结构的多点风速时程,根据由风速时程转化的作用于结构的风荷载时程对两个大跨度空间钢管桁架结构进行风振响应分析和风振系数的计算.结果表明,编制的计算程序可较好地模拟大跨度空间钢管桁架结构的空间点风速时程,计算所得风速时程的功率谱与目标功率谱吻合较好;采用粘滞阻尼器后结构节点位移及杆件应力振动幅值均有所降低,可有效地减小结构的风振响应;根据风振响应的计算结果给出了可供设计参考的结构风振系数.     

潮汐风暴潮中波浪对表面风应力系数的影响

利用依赖波浪成长状态波龄在表面风应力作用下的潮汐风暴潮数值模式,对渤海2个风过程个例引起的水位做了数值模拟研究,并给出了波浪作用下表面风应力系数大小的定量计算.个例1数值模拟结果表明,在最大风速时,考虑波浪作用的表面风应力数值是不考虑波浪作用时的1.5倍;相应的水位比不考虑波浪作用时的结果增大16 cm,与实测值更加吻合.个例2的计算结果也得到了类似结论,表明在进行潮汐风暴潮数值模拟时,必须考虑波浪的作用.     

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.     

强横风下青藏线客车在不同高度桥梁上的气动性能分析

采用数值模拟方法,在模拟自然风和均匀风风速分别为30m/s的情况下,研究不同高度桥梁上列车受到的横向力和侧滚力矩,导出了桥梁上车辆的横向力系数和侧滚力矩系数的表达式。计算结果表明:桥高为30m时,采用模拟自然风计算得到的横向力和临界倾覆点处侧滚力矩比采用均匀风得到的计算结果分别大约58%和63%,且桥梁越高,计算结果差别越大;车体周围的流场与速度矢量分布方式相似,但采用模拟自然风时,车体的表面压力最大值和车体周围的速度最大值分别为1.14kPa和67.6m/s,远大于采用均匀风时的最大值0.82kPa和58.8m/s;车辆受到的横向力、侧滚力矩基本上与车辆形心处的风速的平方成正比;车辆的横向力系数和侧滚力矩系数均与桥梁的高度呈指数关系,当量横向力系数为0.974,当量车体重心处的侧滚力矩系数为0.082,当量临界倾覆点处侧滚力矩系数为0.592。     

一个湍能封闭模型对风暴潮海底底应力的应用研究

将一个三维湍能封闭模型应用于开阔海区的风暴潮，通过数值计算探讨了Ｔａｙｌｏｒ底摩擦二次率的拖曳系数随空间的分布及拖曳系数与水深，海底粗糙度，风向和风速等因素的关系。本文对底摩擦二次率的可靠性做了评价。     

窄基角钢输电塔风载体型系数数值模拟

为研究基于计算流体动力学(computational fluid dynamics,CFD)数值模拟技术的窄基角钢输电塔整体建模及风载体型系数的合理取值问题,文章利用UG和GAMBIT软件建立了输电塔模型,利用Fluent软件进行了不同风向角下输电塔风载体型系数的计算,讨论了风速、风向对风载体型系数的影响,并与规范值进行了比较。研究发现,参考风速对风载体型系数影响很小;纵向及横向风载体型系数随风向角的变化均先增大后减小,分别在22.5°、67.5°达到最大值;模拟得到的输电塔各段风载体型系数比规范计算结果大20%以上,特别是塔腿和横担部分与规范相差更大。     

考虑流固耦合作用的气膜建筑力学性能分析

本文以气承式半圆柱形气膜结构为研究对象,通过数值计算分析的手段,研究了气膜结构在风场流固耦合作用下的影响。其中,选用基于雷诺平均法的RNG k-ε 两方程涡粘模型进行风场模拟,采用弱流固耦合分析方法模拟流固耦合风荷载效应。根据0°和30°两种风向角度,在风荷载对结构的静力工况和考虑流固耦合作用工况下,讨论研究对象处于12m/s、15m/s、18m/s不同外界风速及200Pa、230Pa、260Pa不同空气内压条件下的应力值和位移值,分析气膜结构的流固耦合效应的作用机制和影响系数。结果表明,考虑流固耦合时,气膜的位移和应力最大值要高于静力工况,得到结构流固耦合作用相比于静力工况对气膜位移、应力数值的放大系数;且流固耦合作用对气膜位移的影响系数均随内压和风速呈负相关性,而0°风向角时,应力影响系数随气膜内压与风速呈正相关性,30°风向角时,与之相反。     

风力发电塔架脉动风速时程模拟及其受力分析

简述了应用谐波合成法中的自回归模型(AR)模拟出给定风速功率谱的风速时程序列,并验证了其与目标谱(Davenport谱)的一致性,进而得到作用在各节点的脉动风荷载时程样本的方法.本文采用线性滤波法,建立了脉动风速时程的AR模型,编辑出脉动风速时程模拟程序,对某风力发电塔架进行脉动时程分析,验证了该脉动风速时程模拟的可行性与有效性,并根据所模拟的脉动风对风电塔架进行了受力分析,分别对气动推力与脉动风对塔架顶部位移所产生的影响以及其筒体应力分布规律与大小进行了研究.     

大跨悬索桥Π形加劲梁处风参数实测与风攻角修正

以一座已建的大跨悬索桥为工程依托，基于现场实测与计算流体动力学（Computational Fluid Dynamics， CFD）方法研究Π形加劲梁断面气动外形对桥面高度处实测风参数的影响，并提出实测风攻角的修正方法. 进行为期5个月的桥面高度处风速和风攻角现场实测，分析风参数沿桥轴线的分布规律，并比较了桥面高度处迎风侧与背风侧风速仪实测的风速和风攻角；采用计算流体动力学方法模拟气流流经静止加劲梁断面的流场，研究来流风攻角和风速对风速仪安装在加劲梁不同位置处风参数的影响；结合数值模拟结果，通过函数拟合得到Π形加劲梁断面风速仪实测风攻角的修正公式. 结果表明：实测风速在大桥主跨范围内较为接近，且边跨风速相较于主跨风速偏小；现场实测得到的迎风侧风攻角明显大于背风侧，两侧风速基本一致；迎风侧与背风侧的风参数数值模拟结果与现场实测具有一致性，主梁绕流对距主梁20 m范围内的风攻角监测结果均存在一定影响. 通过本文建立的风攻角修正方法，可以根据迎风侧风攻角的实测值得到较为合理的风攻角修正结果.     

基于模型试验的风力机基底应力分布特征及平面度修正

为有效掌握风荷载作用下风力发电机地基的复杂应力分布,提出关于基底应力平面分布假定的修正方法。以相似法则为理论基础,建立山区风力发电机地基缩尺物理模型试验系统,模拟不同平均风速和脉动风时间步长时的水平风荷载,测试不同风荷载下的基底静压力和动压力,研究应力的分布模式、变化规律,提出基底应力的平面度修正方法。研究结果表明：风速越大,基底静压力越大;而当风速一定时,基底各点的压力差异随着时间步长增加而加大,因此,低频脉动风更容易威胁地基稳定性;在不同工况下,动压力仅为静压力的1/20～1/12,故可采用拟静力法对风力机基底应力进行计算;若按常用的建筑规范基底应力计算方法,会低估基底应力差异,结果偏于不安全,而进行平面度修正后,应力修正值与实测值更加接近,这证明了利用平面度修正的合理性,也意味着基础设计埋深可更大,这为山区风力机的地基基础安全设计提供了新思路。     

基于弯剪梁模型和Von Karman风速谱的高层建筑风振系数实用算法

为使风振系数计算中采用的振型函数更符合高层建筑振型特点且易于计算，采用基于弯剪梁模型的高层建筑基本振型简化算式，同时采用Von Karman与高度有关的风速谱模型和Davenport与频率有关的空间相关性模型，建立高层建筑风振系数计算的实用算式，并通过算例与我国现行荷载规范中的风振系数算式进行比较。结果表明，该方法考虑了不同高层建筑振型的特点，既提高了计算精度，简单实用，又便于与国际主流荷载规范接轨。     

基于BP神经网络的悬垂绝缘子串风偏角预测模型

利用有限元方法模拟不同导线型号、导线初始应力、档距、高差等结构参数的输电线路在随机风作用下的动力响应,得到悬垂绝缘子串的风偏角.进而基于有限元模拟结果和BP神经网络构建风偏角的预测模型,将导线型号、档距、高差、导线初始应力、基本风速、保证系数作为模型的输入,悬垂绝缘子串的风偏角作为输出,通过机器学习,并采用评价指标评估其准确性,对模型进行优化.该模型可以方便快捷地预测悬垂绝缘子串的风偏角,为线路塔头绝缘设计提供依据.     

结合台风模拟的混合气候下分风向极值风速估计方法

采用Monte Carlo方法分别获取台风和良态风气候的极值风速样本.其中,台风气候极值风速采用Yan Meng台风模型进行模拟,而良态风气候则是对气象站风速数据拟合极值分布后再模拟一定数量的极值数据,然后对两者进行组合.最后,结合风速风向分布模型提出一种考虑风向的极值风速估计方法.利用该方法对上海地区极值风速设计值进行了估算,并讨论了其特性.模拟结果不仅同时展现台风和良态风两种气候的极值分布形态,还表明了受台风影响的地区各个风向上极值风速具有一定程度的相关性.     

新月形覆冰单导线静气动力特性的无网格数值模拟研究

覆冰导线在风激励下的气动力系数及其随风速攻角的变化规律是导线舞动的关键因素。论文采用基于LBM方法的无网格数值模拟软件Xflow对新月型覆冰单导线的静气动力特性进行研究,特定风速和冰厚条件下的数值模拟结果与文献风洞试验数据的高度吻合,验证了该方法的可靠性和准确性。进而开展的变风速和变冰厚条件下的导线气动力特性系数随攻角变化的规律,也与风洞试验结果呈现出一致的趋势。论文的研究表明,利用Xflow对覆冰导线气动力特性进行研究,不需要对覆冰导线周围的空气流场划分网格,提高了数值模拟的效率,为覆冰导线舞动机理的研究提供了新的、有效的途径。     

考虑流固耦合的变截面圆柱壳钢塔风振分析

为了明确变截面圆柱壳钢塔的风振响应规律,基于流固耦合理论建立有限元计算模型,采用自回归模型(autoregressive model, AR)法对不同重现期基本风压对应的脉动风速进行了模拟,成功利用数值风洞方法计算了变截面圆柱壳钢塔在脉动风作用下的动力响应,并通过现场风振监测对数值结果的可靠性进行了验证。结果表明：在脉动风作用下,位移响应幅值沿着高度方向逐渐增大,风速越大,结构的位移响应越大,其中50年与100年重现期风速作用下结构响应差别较小,总体上没有超过结构的位移限值。应力沿高度方向逐渐减小,且在变截面位置存在应力突变的现象。风速越大,应力越大,沿着高度方向应力的差别越来越小,其中50年与100年重现期风速作用下超过脱硫塔在工作温度下的材料许用应力值(113 MPa)。因此,对于该类钢塔的抗风性能评估,底部和变截面处以应力控制为主,顶部以位移控制为主。     

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.     

环状悬挑屋盖平均风压与风环境数值模拟

首先对一个较简单的矩形悬挑挑篷进行数值风洞模拟，得到的Baseline雷诺应力模型较适合于悬挑类型的挑篷或屋盖，随后将该湍流物理模型应用到虹口足球场悬挑屋盖中．通过与风洞实验结果的比较，可看出数值模拟方法预测复杂的环状屋盖平均风压是可行的；从数值模拟内场1．5m高度平均风速矢量图结果可知，数值模拟方法预测体育场内的风环境有独特的优越性．最后通过环状悬挑屋盖与单侧、双侧悬挑挑篷数值模拟结果的比较，进一步看出环状悬挑屋盖所受风力的主要特点．     

风荷载作用下输电线路数值模拟及金具失效分析

为了缓解风荷载作用下输电线路动力响应造成电力金具断裂失效等问题,通过建立整体输电线路有限元模型,利用随高度变化的Kaimal风速谱和Davenport互相关谱,用谐波叠加法模拟沿输电线路方向多点互相关的随机风风速时程曲线,利用模拟的随机风荷载进行输电线路动力响应分析,提取导线单元的应力并换算为传递给线夹的集中力,对比稳定风荷载计算方法,建立随机风荷载和稳定风荷载两种典型的荷载工况,再通过ABAQUS建立整体连接金具有限元模型,研究了输电线路整体结构中连接金具及复合绝缘子的应力情况。结果表明:风荷载对金具应力有显著影响;在整体模型中,球头挂环较其他金具容易发生断裂破坏,其次是线夹和直角挂板;复合绝缘子杆部连接处采用球头球窝连接方式,容易产生较大弯曲应力而造成杆部过渡处断裂。     

漂浮植被的阻流特性研究

为了定量研究漂浮植被的阻流特性,采用电子应力计对漂浮植被的拖曳力进行测量,基于边界层理论对其受到的拖曳力进行计算分析,并将实测的植被-水体交界面处切应力与基于边界层理论计算得到的拖曳力值进行了对比分析.研究结果表明:在充分发展的湍流边界层中,将边界层理论用于分析漂浮植被拖曳力是可行的;漂浮植被摩擦阻力的大小与速度的平方成正比,而压强阻力的大小与流速的平方成反比;植被拖曳力系数由植被区长度雷诺数和植被区高度雷诺数共同决定.