An overview on SAR measurements of sea surface wind

Studies show that synthetic aperture radar （SAR） has the capability of providing high-resolution （sub-kilometer） sea surface wind fields. This is very useful for applications where knowledge of the sea surface wind at fine scales is crucial. This paper aims to review the latest work on sea surface wind field retrieval using SAR images. As shown, many different approaches have been developed for retrieving wind speed and wind direction. However, much more work will be required to fully exploit the SAR data for improving the retrieval accuracy of high-resolution winds and for producing wind products in an operational sense.     

基于交叉谱法的C波段机载SAR海浪反演

传统的初猜谱海浪反演方法,需要先使用海浪预报模式来获取初猜谱,其优劣直接影响着反演的精度。为了摆脱对初猜谱的依赖,在不需要先验信息的情况下实现海浪反演,提出了基于交叉谱法的海浪反演方案。该方案采用C波段全极化机载SAR探测数据,利用全极化信息反演海面风矢量,作为WVW算法的风场输入,再通过WVW算法获取海浪谱,进而提取海浪信息。研究结果表明,海浪反演精度得到显著提高,海浪传播180°模糊问题也得到了有效解决。该方案对机载SAR海浪反演业务化应用具有借鉴意义。     

Reduced drag coefficient for high wind speeds in tropical cyclones

The transfer of momentum between the atmosphere and the ocean is described in terms of the variation of wind speed with height and a drag coefficient that increases with sea surface roughness and wind speed. But direct measurements have only been available for weak winds; momentum transfer under extreme wind conditions has therefore been extrapolated from these field measurements. Global Positioning System sondes have been used since 1997 to measure the profiles of the strong winds in the marine boundary layer associated with tropical cyclones. Here we present an analysis of these data, which show a logarithmic increase in mean wind speed with height in the lowest 200 m, maximum wind speed at 500 m and a gradual weakening up to a height of 3 km. By determining surface stress, roughness length and neutral stability drag coefficient, we find that surface momentum flux levels off as the wind speeds increase above hurricane force. This behaviour is contrary to surface flux parameterizations that are currently used in a variety of modelling applications, including hurricane risk assessment and prediction of storm motion, intensity, waves and storm surges.     

基于墨西哥帽小波变换的机载SAR海面风场反演

针对从机载SAR探测图像中反演风向中如何提取图像中的风条纹信息的问题,给出基于墨西哥帽小波的风条纹信息提取方法,结合二维快速Fourier变换反演海面风向.以中国南海海域一组机载SAR实测数据为例,采用该方法反演风向,并运用CMOD4、CMOD-IFR2和CMOD5模式反演风速,验证海面风场反演方法特性.结果表明,墨西...     

建筑群不均匀性对拖曳力影响的风洞测压实验

针对建筑群不均匀性缺乏系统的研究方法以及多数处于定性研究的现状,从建筑几何结构的形态学角度出发,采用迎风面积指数、平面面积指数、形状指数和综合非直线系数表达建筑群的不均匀性.风洞实验中采用刚性模型测压的方法进行建筑表面压力的测量,并设计了悬浮实验平台直接测量整个区域所受的拖曳力.实验结果表明,分布在较大平面区域内各建筑的单体拖曳力系数沿风向的变化趋势近似为一条热容模式的衰减曲线;利用有代表性的建筑表面压力测量结果求取的整个区域拖曳力系数和基于拖曳力直接测量的拖曳力系数具有相同的趋势,但普遍大10%~20%;对比可知,地面粗糙度改变对模型表面风压差系数的分布影响不显著,综合非直线系数为1.332 5的工况较1.177 5的工况拖曳力系数减小约17.7%,H型建筑表面风压差系数分布与矩形建筑不同,其对气流的强烈作用造成拖曳力系数约34.6%的增加.     

高层建筑附着升降脚手架风洞实验研究

提出了脚手架的阻力系数概念,并通过风洞静气动测力实验获得了高层建筑附着升脚架的阻力系数。经过理论证明,该阻力系数与风载体型系数在理论意义上是一致的。在风洞实验中,针对脚手架的挡风情况和附着建筑结构的开洞情况对缩尺模型考虑了260种工况组合。根据实验结果分析,得出量纲为1的气动力系数,进而得到了脚手架的阻力系数。文中根据脚手架的挡风情况及附着施工结构体的结构形式绘制了附着升降脚手架阻力系数建议图表。文中还分析了影响附着升降脚手架阻力系数的诸多因素,并依此提出了对脚手架架体进行结构优化的建议。     

基于遗传神经网络算法的海面风速反演新方法

针对海面运动的复杂性、海面电磁散射理论模型的局限性以及利用SAR图像反演海面风速存在的非线性现象,基于遗传神经网络的方法,以业务化的CMOD4模式函数数据为基础,采用Fletcher-Reeves算法的变梯度反向传播算法,建立一种SAR风速反演的新模型。试验结果表明,利用遗传神经网络方法反演海面风速是可行的,当随机误差小于10%时,模型的抗噪能力较强,风速反演的精度较为理想。比较不同风速下的反演结果可以发现,在中、小风速的情况下,模型的抗噪能力较强,模型学习拟合和预测检验的精度相对较高;在大风速的情况下,模型的反演能力有待于进一步提高。     

Simulation study on optimal currents and winds for the spaceborne SAR mapping of sea bottom topography

A simulation model for the radar backscattering cross section of the sea surface has been developed based on the synthetic aperture radar (SAR) imaging mechanism of the sea bottom topography. The relationship between tidal currents, sea surface winds and the SAR mapping of the sea bottom topography has been analyzed using the results of the simulation. It is shown that the sea bottom topography can be observed by spaceborne SAR more easily at high current speeds. The optimal direction of the currents for mapping the sea bottom topography is the direction perpendicular to the bathymetric features while the direction parallel to the bathymetric features is the worst. The optimal range of wind speeds for mapping the sea bottom topography is between 3 and 9 m/s. The wind directions between 30° and 89° are preferred although the effect of the wind direction on SAR mapping of bottom topography is complicated.     

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.     

风屏障开孔形式对车桥系统气动特性影响的数值研究

随着高速铁路的发展,列车在横风作用下的安全问题尤为重要。采用流体力学软件Star CCM+建立32 m简支箱梁和CRH2型高速列车的全尺寸模型,对不同风屏障开孔形式的车桥系统进行数值模拟,研究了风屏障开孔形式对风屏障挡风效率和流场的影响,分析了车辆三分力系数和桥梁三分力系数随开孔形式的变化规律。结果表明：风屏障的开孔形式对车辆的阻力系数影响较大,且随着开孔边数的增加各车辆的阻力系数先减小后增大,开孔形式为格栅形时阻力系数最大。采用格栅形式时中车比头车的力矩系数大了63.6%;中车的阻力系数和力矩系数随开孔边数的增加基本呈下降趋势,位于背风侧时中车阻力系数和力矩系数变化较缓;随着风屏障开孔边数的增加,桥A段、桥B段和桥C段的阻力贡献率CR_WBD都呈增加趋势,其中桥B段的贡献率增加最多,增加了12.2%。风屏障对阻力和力矩的贡献率CR_WBD、力矩贡献率CR_WBM基本都超过了50%。     

基于试验数据优化辨识孤立冰块的流拖曳系数

流拖曳系数是海冰动力学模型中的重要参数,实际海冰运动时受到水流的底面剪切作用和侧面正压力作用,对应的拖曳系数分别为摩拖曳系数和形拖曳系数.利用实验室波流水槽设备,对长方体平底、长方体粗糙底和圆饼形淡水冰试样进行拖曳运动试验,获得26组冰样运动数据.根据这些试验数据,利用动量法原理和优化方法构造了识别摩拖曳系数和形拖曳系数的参数辨识模型,并计算出相应的拖曳系数.在此基础上,引入描述表面粗糙度的两个指标--轮廓支承长度率和轮廓均方根偏差,统计分析了粗糙度指标对拖曳系数的影响.此外还得到摩拖曳系数同冰样长度和吃水深度之比的关系,该关系可用于计算冰山和浮冰的摩拖曳系数.     

甩挂运输对重型载货汽车气动性能的影响

甩挂运输已发展成为国家运输业节能减排的重要着力点,牵弓I车与不同挂车的组合方式对整车气动性能的影响不容忽视．以某重型载货汽车为研究对象,运用计算流体力学（Computational Fluid Dynamics,CFD）方法,分析了甩挂运输中不同主挂车间隙对整车流场结构的影响;利用正交试验,研究了间隙、货箱高度与导流罩角度三者对整车气动阻力系数的影响．研究结果表明,间隙长度对无导流罩整车与带导流罩整车的气动特性影响各不相同,正交试验可有效分析不同因素对气动阻力系数的影响程度,优化模型与原始模型相比,减阻达2．5％．     

碟式太阳能聚光器气动特性和最大风压分布仿真分析

针对碟式太阳能聚光器最佳避风姿势问题,采用流体控制方程建立了碟式太阳能聚光器流场模型,并将计算得到的流场流速和压力再加载耦合到碟式太阳能聚光器前后表面,对碟式太阳能聚光器气动特性和风压分布进行仿真分析.结果表明:1风速对碟式太阳能聚光器表面中心区域最大风压影响很大,应适当提高碟式太阳能聚光器中心处的强度和刚度;2碟式太阳能聚光器的升力、阻力、侧向力和最大表面风压随风速增加而增加,且最大表面风压增加幅度尤显明显,但是风力系数随风速变化甚微;3不考虑流固耦合作用时碟式太阳能聚光器的升力系数、阻力系数、侧向力系数和最大表面风压的计算值存在较大的误差,在之后的计算中,应考虑流固耦合作用;4碟式太阳能聚光器表面最大风压随高度角和方位角的变化复杂,高度角为0°、方位角为45°姿势时达到最大.     

均匀风场中高层建筑平均风力的阻塞效应

以联邦航空咨询委员会协调人会议(CAARC)高层建筑标准模型为例,在同济大学TJ-2建筑风洞中进行了矩形单体高层建筑的阻塞效应试验研究.对阻塞度为4.1%、6.1%、8.4%、10.1%的建筑刚性模型在均匀风场中进行了测压试验.主要研究了阻塞效应对模型平均风力特性的影响.研究结果表明:在均匀来流中,建筑各层的平均阻力系数随着阻塞度的增加而增大,但阻力系数沿高度的分布规律没有显著变化;顺风向平均基底弯矩系数随着阻塞度的增大显著增大.最后,基于试验结果提出了平均阻力系数和顺风向平均基底弯矩系数的阻塞效应修正公式.     

垂直轴风力机二维流场数值模拟

采用数值模拟的方法研究不同攻角、不同风速条件下naca0015翼型二维流场中的马赫数、雷诺数．通过比较叶片升、阻力系数变化,得出攻角为15°时翼型获得最佳的升、阻力系数．通过比较表面压强分布图、速度图和流线图,分析马赫数、雷诺数对naca0015翼型的影响,得出在相同的攻角、马赫数的条件下．随着雷诺数的增大翼型升力系数增大．阻力系数变小;在小攻角、低风速以及相同马赫数条件下,雷诺数较小时更易获得稳定的流场．     

翼型试验阻力测量方法的数值计算研究

分析提出翼型风洞试验时通过翼型尾迹流场信息积分计算阻力的新计算方法,利用数值模拟方法计算多段翼型的流场信息,并以此为基础对传统的尾迹积分计算翼型阻力方法和提出的新方法进行数值比较分析以研究新方法的可行性和准确度.结果表明,在高升力构型(如多段翼型)试验时,相比传统的方法,新提出的方法能得到更准确的阻力值.     

车桥耦合气动力特性和风压分布数值模拟

基于计算流体动力学，采用数值模拟的方法研究了车桥耦合体系气动力特性和风压分布．首先选取了雷诺应力湍流模型，分别建立了桥梁单体模型、车辆单体模型和车桥耦合体系模型．计算了3个模型在不同风向角下的气动力系数，并对各自的风压分布进行了比较．车桥耦合体系考虑了车辆和桥梁的耦合效应，在不同风向角工况下，车桥耦合体系的气动力系数，包括升力系数、阻力系数和倾覆力矩系数，都明显增大．计算结果表明，车桥耦合体系与桥梁和车辆各自单体相比较，气动力系数差异较大，故设计中应对此给予重视，以确保行车安全．     

MIRA阶梯背模型尾部非光滑表面优化设计方法

为探索车身非光滑表面特征参数的优化设计方法,在MIRA阶梯背模型尾部分别布置凹坑型、凸包型和沟槽型非光滑表面,进行计算仿真和风洞模型试验对比分析不同非光滑单元的减阻效果。以非光滑单元体间距与高度为设计变量,以模型气动阻力系数为优化目标,采用拉丁超抽样方法进行样本设计,建立Kringing近似模型并检验拟合精度,运用NSGA-II遗传优化算法分别对凹坑型、凸包型和沟槽型非光滑表面特征参数进行优化。对比优化前后流场参数,分析车身非光滑表面减阻的机理。仿真结果和风洞试验数据表明优化后的凹坑、凸包及沟槽型非光滑表面模型的气动阻力均进一步减小,减阻率分别达到6.92%、4.03%、4.24%,减阻效果明显。     

Effect of surface waves on air-sea momentum flux in high wind conditions for typhoons in the South China Sea

The WAVEWATCH-III wave model is implemented in the South China Sea to investigate the air-sea momentum flux in high wind conditions during 23 passages of typhoon occurred in 2005. The wave model is driven by the reanalyzed surface winds assimilated by several meteorologic data sources. The friction velocity was calculated and the relationships between different air-sea momentum param- eters were studied. The results show that the drag coefficient decreases with the wave age generally and levels off for wind speeds higher than 35 m/s under typhoon wind forcing. The spatial variations of air-sea momentum flux parameters in high wind conditions forced by typhoons are completely different from those at weak wind speeds and significantly depend on the relative position from the typhoon center.     

行人对人行桥三分力系数的影响

以风洞试验方法为主、计算流体力学(CFD)方法为辅,研究不同角度风嘴入流、行人密度和行人横向排列位置条件下的人行桥主梁断面三分力系数的变化规律.结果表明:桥上行人的存在会改变截面周围气流的流态,从而对桥梁断面的静力三分力系数产生显著影响;风攻角在-12°~12°范围内,阻力系数均呈现先增加后减小趋势,负风攻角范围内行人密度是阻力系数变化的主导因素,而正风攻角范围内阻力系数变化受风攻角主导;当风攻角由-12°变化到12°时,小风嘴入流状态下的升力系数和扭矩系数整体逐渐减小,而大风嘴入流状态下的升力系数和扭矩系数整体呈现先增大后减小的趋势,随着行人由迎风侧移动到背风侧,阻力系数略微增大,升力系数显著减小,扭矩系数几乎不变.