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.     

基于实测风谱的润扬悬索桥桥址区三维脉动风场模拟

针对大跨度悬索桥的结构形式和振动模态特点,结合自然风的相关特性,给出了一种简化的三维脉动风场模拟方法,将实际面状的三维脉动风场简化为多个线状的一维脉动风场.基于谐波合成法,并运用FFT技术,进行了润扬悬索桥桥址区三维脉动风场的模拟.为了真实反映桥址区强风特性,模拟目标功率谱采用由该桥结构健康监测系统实测台风数据运用非线性最小二乘法拟合而得的拟合谱.结果表明,该风场模拟方法计算效率较高,主梁与主塔结构脉动风场的模拟值均与目标值吻合较好,验证了该风谱模拟方法的有效性和可靠性.     

架空输电线路非平稳台风风场数值模拟与验证

为了实现架空输电线路非平稳台风风场模拟,考虑非平稳脉动风场的紊流强度和阵风因子特性及其影响,提出了一种架空输电线路非平稳台风风场的模拟方法。首先利用Spline插值方法生成时变平均风速,采用更新时变平均风速的谐波合成法模拟脉动风速,然后基于三向风谱功率密度函数,构建了台风风场的时变功率谱,计入风场空间上的相关性,获取了调制进化功率谱,并与模拟台风功率谱比较;最后以某架空输电线路为例,验证了台风模拟方法的合理性。研究结果表明：随着基本时距的增加,台风的非平稳因素所占比重越大;本文提出的输电线路非平稳台风模拟方法合理有效。     

基于随机Fourier谱的风场仿真

研究了由随机Fourier谱生成具有特定场地风荷载统计特性的样本函数的问题．首先对随机风场模型进行了描述，然后利用谐波合成的方法，在对互随机Fourier谱矩阵进行Cholesky分解的基础上，通过一组余弦函数的和对随机脉动风速场进行了模拟．最后，结合一20层平面框架结构纵向风速场的仿真问题进行了数值仿真研究．算例表明，所提算法可以准确地模拟给定场地特性的脉动风速时程．     

基于谐波合成法的大涡模拟脉动风场生成方法研究

为准确模拟大涡模拟入口处的脉动信息,在充分考虑脉动风场的功率谱、相关性、风剖面等参数前提下,运用谐波合成方法生成了满足目标风场湍流特性的随机序列数,通过对FLUENT软件平台进行二次开发,将生成的随机序列数赋给大涡模拟的入口边界,从而实现了大涡模拟的脉动输入.基于风洞试验数据,分别建立了两种模拟脉动风场的数值模型,一为没有任何障碍物的空风洞,运用谐波合成方法生成的随机序列数作为入口边界来生成脉动信息;二为与真实风洞一致的尖劈粗糙元风洞,采用平均风作为入口边界,利用尖劈粗糙元对风场的扰动来产生脉动信息.通过对比两种数值模型发现:基于谐波合成方法生成的脉动风场可作为大涡模拟的入口边界,可为大涡模拟脉动入口研究提供参考.     

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．     

新疆达坂城风区顺风向脉动风功率谱

为研究新疆乌鲁木齐所处达坂城风区的复杂脉动风环境，基于实测风场风速数据分析并拟合了该风区的顺风向脉动风功率谱。结果表明：以反比例函数拟合山区峡谷地形平均风速与湍流强度的关系误差较小；山区峡谷地形湍流积分尺度分布较离散，但整体随平均风速的增大而增大；考虑地形系数的Kaimal修正谱在含能区和惯性子区间能较好地表征实测谱，在耗能区选用三参数拟合描述实测谱效果良好；选用过渡函数来描述惯性子区间与耗能区接触区域的功率谱，拟合效果较为理想。可见达坂城风区具有特殊顺风向脉动风特性，以修正谱和拟合谱分段构成的函数模型可用于表征该风区顺风向脉动风功率谱。     

多模态耦合的覆冰导线风致舞动分析

深入研究覆冰导线在风致作用下发生的舞动具有重要意义.覆冰输电导线是一个三维连续体,存在面内-面外-扭转多阶模态耦合,因此详细分析覆冰导线发生舞动时各阶模态在耦合作用下的舞动特性是有必要的.本文提出覆冰导线面内-面外-扭转多阶模态耦合的非线性动力分析模型,通过Lyapunov理论对覆冰导线稳定性进行判断,分析了在稳定风场中不同风速下,覆冰导线各阶模态舞动情况.进一步考虑了覆冰导线所在风场的随机性,为提高脉动风场的模拟效率,采用基于Hermite插值改进Cholesky分解的脉动风场模拟方法,分析脉动风下覆冰导线各阶模态舞动特性,并与稳定风场中覆冰导线各阶模态的振动进行比较.     

山区峡谷桥址处风场实测与数值模拟研究

为准确模拟山区峡谷桥址处的三维紊流风场,以澧水大桥所在峡谷为工程背景,将现场实测风场用谐波合成法进行等效处理生成了满足峡谷风场特性的随机来流,然后基于对Fluent的二次开发,将生成的随机来流赋予大涡模拟的入口边界.通过对比本文方法和无脉动入口计算结果发现,本文方法更能体现山区峡谷风场的真实流态,最后在本文方法基础上对不同风向角作用下的山区峡谷桥址处风场进行了数值模拟,得到了峡谷桥址处风场的详细分布特性,可为山区峡谷地形紊流场精细化数值模拟提供参考.     

谐波合成法模拟随机风场的优化算法

为解决传统谐波合成法模拟多变量随机脉动风场效率低下的问题,首先将互谱密度函数矩阵分块,然后采用递归优化算法进行矩阵的Cholesky分解,同时引入矩阵乘法算法来代替传统算法的叠加过程,从而减少了互谱密度矩阵中元素生成的数量,加快了矩阵分解和脉动风场合成的速度.工程实例表明,上述优化算法可有效减少整个模拟过程的计算时间,提高模拟效率.     

具有流线型凸包的风力发电机气动特性

以300 W水平轴风力机叶片为研究对象,设计流线型凸包结构,并应用于风轮模型,结合滑移网格技术,对比研究光滑型与流线凸包型风力发电机的绕流场特性以及气动载荷特性,分析了三维绕流场内速度、压力、流线等的变化规律,以及不同风速下风力机的阻力系数及其功率的时程变化规律,探讨了流线凸包型与光滑型风轮在不同风速下运行时绕流特性的差异。结果表明:流线型凸包对流场有较好的改善结果;当风速增大时有明显的减阻效果,最大减阻率为19.53%,但其波动量增加为1.51%;凸包型风轮输出功率明显高于光滑型风轮,但随着风速增加,功率增加率也逐渐减弱。研究结果对水平轴风力机非定常气动特性研究及应用具有重要意义和价值。     

风向对某超高层建筑等效静风荷载的影响

风向和平均风速联合分布是风荷载的基本特征之一,本文研究风向对某超高层建筑等效风荷载的影响,主要包括以下三个部分:(1)获取建筑物所在地区气象站的风向风速气象资料,并统计得到各个风向上的设计风速;(2)对某超高层建筑进行36个风向角下的刚性模型同步测压风洞试验,试验中模拟了周围建筑对超高层建筑的干扰作用;(3)结合各个风向上的设计风速,基于风洞试验结果,用随机风振理论计算超高层建筑的等效风荷载.本文得到的结论为超高层建筑设计提供参考.     

两种测风仪的动态比对试验及分析

针对超声波测风仪的不断应用,在自然风场条件下实施了超声波测风仪和现有自动气象站机械旋转式测风仪的动态比对试验。通过对风向风速的采集数据进行处理分析,总结了超声波测风仪和机械旋转式测风仪的动态性能。试验结果表明,2种测风仪的2,10min平均值可比较性偏差小于瞬时值;随着风速的增大,风速值的可比较性系统偏差向负向漂移,风速值的标准偏差增大,风向值的标准偏差减小。造成2种测风仪测量结果差异的原因主要是系统惯性特征、风场的自身湍流特性以及测风仪结构的不同造成流场特性的变异。     

基于风速预测的双馈风力发电机组变桨距协调控制

在分析风能的特性、风速区域划分以及大型风力发电机组常用控制方法的基础上,指出当前控制中存在的滞后、大惯性等问题.针对这些问题,提出基于风速预测的新型变桨距协调控制方法,在高于额定风速的情况下,加入风速预测环节,从而克服风速测量滞后、桨距角调节惯性大等问题.这种控制方法将小波变换嵌入时间序列法中,用于建立ARMA模型进行风速预测,然后将预测的风速送入控制环节,具有较好的动态控制性能.最后,通过实例仿真验证了该设计方法的有效性.     

风浪与涌浪相互影响的实验

大自然的海浪往往是风浪与涌浪混合在一起,为此研究了实验室的风浪水槽中模拟风浪与涌浪的相互影响,用脉动风模拟风浪及风与浪的耦合作用,用造波机产生不规则波模拟周期相对较长的涌浪．通过单独风浪、单独涌浪、先风浪后涌浪和先涌浪后风浪4种情况的模拟,从波谱的角度分析风浪与涌浪相互影响的规律．发现影响风能输入的主要因素是波浪是否充分发展,而与波陡、风速、波速等没有直接关系,为风浪对海上建筑物的耦合作用研究提供了依据．     

地面风传感器加热装置设计及试验研究

在冬季雨雪、冻雨、雨凇和雾凇等天气现象发生时,自动气象站风传感器转动部件容易发生冻结,造成风向风速观测数据缺测。为解决风传感器冻结的问题,设计一种基于分级加热技术的风传感器加热装置,采用多级加热元件组合控制的方式,实现自适应启动不同级别的加热模式。通过试验对风传感器加热装置性能进行测试,以及对风向风速观测数据进行处理分析,评估风传感器加热装置在气象观测业务中应用的可行性。结果表明,带有加热装置的风传感器起到了很好的防冻结作用,运行更加稳定;带有加热装置的风向风速数据完整性优于未带有加热装置的风传感器,两者风速具有较强的相关性,相关系数均在95%以上;两者风向一致性显著,均在80%以上,十分钟风向一致性优于两分钟风向一致性。可见,风传感器加热装置可有效减少风传感器冻结发生的次数,及时消除结冰层,降低观测人员设备维护工作量,提高风传感器运行的稳定性和数据的连续性,为风传感器加热装置应用于气象观测业务提供决策支撑。     

高层建筑周围行人高度风环境的数值模拟研究

通过数值模拟方法对某高层建筑周围的行人高度风速场进行了计算,结合当地气象台的气象风速统计资料,给出了该建筑周围舒适性风的概率直方图,对行人高度风环境的舒适性作出了评价,并对一些可能存在不舒适风问题的位置点提出了控制措施.     

大型风力机塔架在脉动风下的动力响应特性研究

采用Kaimal脉动风功率谱,考虑脉动风的空间相关性,采用AR模型模拟风电场脉动风速时程,并验证脉动风速谱与目标谱的一致性;通过有限元方法计算风力机塔架结构在风载荷作用下的动力响应特性。计算结果表明:AR模型对实际风场风速进行有效模拟,考虑脉动风的影响,塔架的风振响应显著增加;随着风速的增加,塔架的振动也随之增加,这为风力机塔架的风致响应分析和抗风研究提供了实用方法。     

某低矮模型房屋实测风场和风压的相关性研究

基于台风"菲特"影响下温州某低矮房屋的环境风场实测数据及该建筑物屋盖上的风压实测数据,对于风场特性和屋盖风压特性参数进行了计算分析.分析结果表明:随着平均时距的减小,平均风速最大值增大;湍流度随着平均风速的增大呈逐渐减小的趋势;建筑物屋面及屋面屋脊边缘处的平均风压均为较大的负压且脉动较大;根据风速和风压的变化趋势可以看出,风场风速与建筑物屋盖上风压呈现明显的相关性,进而在不同的时距条件下对风场风速与屋盖风压的相关性进行了分析,发现取5min为基本时距时风速与风压的相关性系数值较高,说明在确定结构的风荷载时取基本时距为5min更为合理.     

横风激扰下的跨座式单轨车辆运行平稳性分析

对横风激扰下的跨座式单轨车辆的运行平稳性进行分析.首先,分别采用瞬态中国帽风载模型和非定常随机风载模型模拟动态风场,建立跨座式单轨车辆动力学模型,并将两种风载模型作为外部激励分别施加到车辆上.其次,采取数值仿真方法,分析不同车速、风速、合成风向角的跨座式单轨车辆在横风作用时的动力响应.最后,对车辆运行平稳性进行评估,计算限值下的临界安全风速,得到横风激扰下跨座式单轨车辆运行的安全区域.结果表明:车速、风速和合成风向角对跨座式单轨车辆的运行平稳性有显著影响;当车速和风速过大时,车辆会发生失稳现象.