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计算流体力学(computational fluid dynamics, CFD)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。     

福建滨海区台风过程风特性实测及分析

在福建省平潭县王爷山构建风场实测系统,记录了2017年1709号台风“纳沙”和1710号台风“海棠”的三维风速时程. 利用两次台风数据,对台风风眼区经过前后的近地边界层风特性进行研究和分析. 总结风速剖面参数、湍流强度、湍流积分尺度、阵风因子等风参数的分布规律和风眼壁区脉动风速功率谱在频域内的特征,并对实测风速功率谱进行了分析及拟合,得到适应该地区的风速功率谱及相应谱参数,供该地区结构抗风设计参考.     

上海环球金融中心顶部台风“灿鸿”风速实测

基于上海环球金融中心顶部(494m)采集到的台风"灿鸿"风速数据,对平均风速、湍流强度、阵风因子和峰值因子进行了分析.用广义风速谱拟合的方法计算湍流积分尺度,运用拟合参数将风速谱与Von Karman谱进行对比.研究结果表明:10min最大平均风速与1h平均风速,3s最大平均风速与10min平均风速均有较好的线性关系;顺风向和横风向阵风因子与湍流强度之间都满足线性关系;顺风向和横风向湍流积分尺度随10min平均风速的增加而增加;本次实测得到的风速谱与Von Karman谱有一定差距.     

台风“梅花”近地风剖面变化研究

基于10、20、30和40m高度处台风"梅花"影响下的上海浦东地区近地风现场实测数据,主要研究了平均风速、湍流度和阵风因子随高度的变化规律.结果表明,通过公式计算得到的边界层高度随平均风速的增大而增大,平均值为2 063m,远远大于我国规范(GB50009—2001,2002)规定的B类地貌下的边界层高度(350m).当平均风速较大时,大气稳定度参数z/L随平均风速变化较小,基本在区间[-0.1,0.1]内波动,此时大气近似趋于中性.指数率、对数率和Deaves-Harris模型与平均风速实测剖面均吻合较好.参考ASCE7-10中湍流度剖面的表达形式,通过拟合得到了纵向、横向和竖向湍流度随高度变化的经验表达式.另外,对实测阵风因子随高度的变化进行了拟合,拟合结果可以为今后工程设计提供参考.     

上海环球金融中心顶部风速和加速度实测

基于2011-2016年上海环球金融中心(SWFC)顶部风速和加速度的长期监测数据,对动力响应和动力特性进行了分析.采用包络线随机减量的方法计算超高层建筑的水平向一阶自振频率与一阶阻尼比,分析结构动力响应随风速的变化规律以及动力特性随振幅的变化规律.结果表明:上海环球金融中心顶部加速度标准差随平均风速呈幂函数形式增加,一阶自振频率随顶部振幅的增加而减小,一阶阻尼比随顶部振幅的增加而增加.     

台风“海葵”影响下近地风脉动特性研究

本文基于台风"海葵"过境时,同济大学国家重点实验室风工程实测基地内40m测风塔获得的台风风速数据,对其阵风因子,湍流度,峰值因子等风脉动参数特性进行分析研究。     

台风外围影响下的大跨度拱桥桥址区近地风特性实测研究

基于南广铁路肇庆西江特大桥风速风向监测子系统,对2015年6月台风"鲸鱼"气候条件下的平均风速、平均风向以及脉动参数(紊流强度、阵风因子、紊流积分尺度、脉动风速功率谱等)开展实测研究.结果表明:台风外围影响下1min平均风速波动幅度较大,呈现出跳跃性;实测紊流强度离散性较低,纵向紊流强度实测值0.253,紊流强度和阵风因子有随平均风速的增大而减小的趋势特征,且该趋势在低平均风速段更为明显;各方向上紊流积分尺度与规范相应推荐值差别较大,流场中主要以中小尺度涡旋为主,其离散度随平均风速的增加略有增大;规范推荐的Kaimal谱与实测水平向脉动功率谱函数并不能很好地符合,台风"鲸鱼"在低频段和高频段的谱值均偏高.实测表明台风外围风场具有一定相关性,采用Davenport假设会带来一定误差.     

超强台风山竹近地风场特性实测

基于356 m高的深圳气象梯度塔(SZGMT)的实测风速时程数据,分析了超强台风山竹侵袭过程风场特性的竖向分布规律.结果表明,SZGMT上游地面的平均风速剖面指数为0.238,略高于建筑结构荷载规范(GB50009-2012)的C类地貌的指数值;纵向湍流强度接近GB50009-2012 D类地貌的建议值,三向湍流强度比...     

广州西塔台风特性及风致结构振动现场实测研究

广州西塔楼高432 m共103层,属目前华南地区第一高楼,在台风“鲇鱼”的影响下,对其台风特性及风致结构振动进行了现场同步实测,获得了其风场特性、结构动力特性以及风致结构振动响应等相关结果.结果验证了湍流强度随平均风速增大而减小、阵风因子随湍流强度增大而增大等规律,且实测的顺风向与侧风向脉动风速谱均符合Von Karm...     

基于台风“梅花”的近地层湍流积分尺度实测分析

基于10,20和40m高度处台风"梅花"影响下的上海浦东地区近地风现场实测数据,分析了湍流积分尺度随平均风速、观测高度及平均时距的变化规律.结果表明:湍流积分尺度Lux,Lvx和Lxw会随平均风速和实测高度的增大而增大;10,20和40m高度处,湍流积分尺度均值Lux∶Lvx∶Lxw分别为1∶0.54∶0.07、1∶0.65∶0.11和1∶0.73∶0.1;相同高度处,Lux和Lvx随平均时距的增大而增大,而Lxw受平均时距的影响较小;湍流积分尺度Lxw在不同高度之间的相关系数整体上较Lux和Lvx偏小.     

台风“启德”登陆过程中近地风场特征

通过对台风过程的风速及风向、阵风因子、湍流度和风速谱等参数的分析,研究了台风“启德”登陆时的近地风场特性.结果表明：台风“启德”的最大瞬时风速达到20 m/s,10 min最大平均风速为16m/s,台风登陆前,风速及风向脉动变化很大;台风登陆后,湍流度及阵风因子明显减小;风速变大,湍流度和阵风因子有减小的趋势.     

台风风场随机参数敏感性分析

在沿海台风多发区域，高耸和长大结构对于台风风速作用非常敏感，故有必要合理估算结构寿命期内可能遭遇的台风极值风速，结合台风气候条件下风速分布模型与Monte-Carlo可靠度分析方法，构建了台风风场随机模型，分析了台风风场风速的分布特点，数值化地再现台风的基本结构．选用1949年至2001年对上海地区有明显作用的75个台风记录，用敏感性分析方法计算了台风风场多个随机参数对于台风极值风速的贡献程度，为台风随机模型的极值风速预测作了必要的准备．     

台风风场与B类风场作用下输电塔风效应对比研究

在边界层风洞中开展了台风风场与B类风场条件下某角钢输电塔气弹模型试验,采用谐波合成法模拟了不同高度的风速时程,在时域内进行了输电塔结构风致响应计算,对比研究了两类风场条件下的风致响应与风振系数.研究结果表明:输电塔风致加速度响应随着来流风速的增大而明显增大,台风风场条件下加速度响应更为剧烈,比B类风场条件大约20%～30%;B类风场条件下风振系数为1.59,台风风场条件下达到1.85,总体增幅达到16%;数值模拟结果与风洞试验结果较为吻合.因此,台风多发地区的输电塔设计应考虑台风高湍流引起的动力风荷载增大效应.     

近岸非对称型台风风场模型

该文针对近岸台风不对称性非常明显的特征，建立了基于特征等压线的不对称型气压场和风场模型，该模型简便实用。文章还提出了台风模型风场和北景风场合成、单站资料同化的思想和方法，既提供台风过程大范围、长时间风场，又进一步拟合了台风风场的不对称特征。     

良态风和台风下的上海中心大厦动力参数分析

基于2016—2017年日常监测数据和2018年7月台风"安比"登陆时的监测数据,对上海中心大厦动力参数变化规律进行对比分析和研究.利用包络随机减量法,分析低振幅与高振幅下的结构一阶自振频率与振幅、一阶阻尼比与振幅的变化规律.结果表明,良态风作用下,结构振幅低,一阶自振频率随振幅的增加而减小,一阶阻尼比随振幅的增加而缓慢增加;台风作用下,一阶自振频率与振幅仍呈线性关系,由于阻尼器影响,一阶阻尼比与振幅的变化呈现非线性;设计阶段,上海中心大厦在正常使用条件下及台风作用下阻尼比分别取0.3%～1.0%和4.0%较为合理.     

广州地区台风极值风特性蒙特卡罗随机模拟

结合1949—2003年台风年鉴统计资料和广州气象站逐时（连续）气象观测记录,采用蒙特卡罗台风风场随机模型和敏感度分析方法,计算了广州地区不同场地类别风环境随机参数对于台风极值风速的影响,并对该区域的台风风场参数合理取值进行了优化.以越界峰值法和广义Pareto分布探讨了工程场地目标重现期内极值风速预测分析过程,再现了几类典型工程场地台风风环境梯度风高度、平均风剖面、极值风速和阵风因子取值特点,并与规范结果进行了对比.