下击暴流作用下平屋面风荷载CFD数值模拟

下击暴流具有与常规大气边界层近地风完全不同的风场特征.基于CFD(Computational fluid dynamics)数值仿真技术,完成了几何缩尺比为1∶2 000的下击暴流过程的数值模拟,并将其风剖面的模拟结果与理论模型进行了对比.在此基础上,研究在下击暴流作用下,将大跨平屋面置于距下击暴流中心不同径向位置时,屋面平均风压系数和速度场的分布规律,并与大气边界层风场中平屋面的风荷载特性进行了对比.结果表明:数值模拟方法能够较好地再现下击暴流的风场特性;下击暴流风场中平屋面风压分布规律明显区别于大气边界层风场中的风压特性;平屋面风压分布特性与其距下击暴流中心的距离密切相关,随着平屋面逐渐远离下击暴流中心,屋面所承受的压力逐渐由正压转为负压.     

风力机尾流场及相互作用的实验研究

运用压差式精密风速仪对风力机尾流场及相互作用进行测量研究。对于单台风力机,测量其后不同距离处的尾流场轴向速度;对于两台风力机,测量下游风力机(第二台风力机)后不同距离处的尾流场轴向速度,由于下游风力机置于上游风力机(第一台风力机)尾流场中,尾流在向下扩展的过程中相互叠加影响,使得下游风力机尾流场变化更复杂。试验结果表明:由于风轮旋转和来流衰减,使得单台风力机后尾迹区存在速度亏损,尾迹区速度亏损随着风轮下游轴向距离的增加逐渐减弱,且轴向速度和轴向诱导速度在水平方向上表现出较强的对称性。由于风轮旋转时叶尖涡脱落,在距测量中心较远处出现高速度区域。当下游风力机置于上游风力机尾流场时,下游风力机的尾迹区内速度亏损更严重,由于上游风力机尾流的不稳定延伸,尾流叠加,轴向速度和轴向诱导速度出现明显的波动现象,且随着两风力机距离及下游风力机后轴向距离的增加,上游风力机对下游风力机的影响逐渐减弱。     

平面壁面射流风场作用下建筑物表面风压数值模拟

采用平面壁面射流模拟下击暴流的出流段风场,通过协同流模拟下击暴流水平移动,基于计算流体动力学方法,采用雷诺应力模型(RSM)的Stress-Omega模型模拟了稳态下击暴流的平均风剖面,并在风场中建立高层建筑物模型,研究下击暴流风场中高层建筑物表面风压分布特性.结果表明,采用平面壁面射流模型得到的水平速度竖向风剖面与下击暴流理论风剖面以及试验结果吻合较好,壁面射流模型风场中建筑风压分布特征与冲击射流风洞试验一致;迎风面风压系数随着顺流向距离的增加而不断减小,随着射流入流湍流强度的增大而减小.当下击暴流风剖面半高值大于1.45倍建筑物高度时,壁面射流风场中建筑风压分布与大气边界层风场中类似.协同流对结构中下部风压分布影响较大,而风向角对最大风压的影响不大.     

非线性时变机载雷达微下击暴流目标回波建模与算法设计

为了有效分析微下击暴流产生机理以及在非对称风场条件下微下击暴流的风速估计和回波谱,利用网格划分法的基本原理,结合多普勒效应建立了微下击暴流目标回波数学模型,并提出了一种机载雷达微下击暴流信号的处理算法.在非对称风场情形下仿真分析了顺风、偏风、侧风以及逆风时微下击暴流的风速估计以及功率谱.仿真结果表明,在不同距离门上的顺风、逆风、侧风以及偏风的风速变化符合微下击暴流的特征,非对称风场下的微下击暴流雨回波三维功率谱分布与非对称风场中的径向速度分布一致.     

CAARC高层建筑标准模型下击暴流风洞试验

为研究CAARC高层建筑标准模型在下击暴流作用下的响应,采用所开发的基于边界层风洞的下击暴流出流风速模拟试验装置模拟下击暴流稳态风场和瞬变风场,设计并制作了几何缩尺比为λ_L=1∶200的CAARC气弹模型,分别在下击暴流稳态风、瞬态风以及大气边界层B类风场条件下进行了风洞试验研究.结果表明：所模拟的稳态下击暴流风速剖面与经验风速剖面较为吻合;所模拟的瞬态下击暴流风速时程特性、湍流度与已有文献推荐值总体较为吻合;CAARC高层建筑标准模型在稳态、瞬态下击暴流风场作用下,顶部x、y方向位移时程波动较大,与大气边界层B类风场作用下位移时程存在明显差异.     

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...     

错列风力机尾流的实验研究

为了更好地研究水平轴风力机的尾流结构及其对下游风力机出力性能的影响,将两台风力机错列布置,使用压差式精密风速仪和手持风速仪对风力机的尾流场进行了测量.通过比较单风力机和两台错列布置风力机的速度、压力和诱导速度,分析了风力机之间的尾流干扰问题.结果表明,上游风力机的尾流会使下游风力机的来流风速小于设计风速.两台风力机尾流重叠区的湍流度增加,尾流干扰增强,随着测量间距的增大,轴向速度先减小后增大.下游风力机5倍风轮直径处,尾流场速度基本恢复到主流速度.     

下击暴流作用下高层建筑物表面风压分布特性

以CAARC（英联邦航空咨询理事会）高层建筑物标准模型为研究对象,基于计算流体动力学方法研究了下击暴流作用下高层建筑物的表面风压分布特性,并将结果同大气边界层近地风作用下的风压分布特性进行了比较分析.结果表明：下击暴流作用下建筑物模型迎风面风压力最大值位于建筑物的中下部约1/3高度处,不同于近地风作用下的最大值位于建筑物中上部靠近顶部附近;在背风面,下击暴流作用下负压力分布呈下小上大、中间小两侧大的特征,不同于近地风作用下的负压力分布较为均匀、上下端和两侧较大、中间小的分布特性.     

水平轴风力机尾流的现场实测及初步分析

针对一台33kW水平轴风力机,开展了尾流区速度的现场测量实验,得到了风力机尾流区1倍风轮直径断面上部分测点的速度分布,分析了尾流速度的时域和湍流谱特性.研究发现:尾流区1倍风轮直径处,轴向速度亏损较大,测点处的轴向速度亏损率在35.1%–54.17%.铅垂方向速度变化较小,水平方向速度较来流速度的水平分量略有增大,反映出了尾流的膨胀特征.测点处的湍流动能表现出一定的周期性变化规律,尾涡的通过频率与风轮的旋转频率相近.同时,测点处3个方向湍流速度分量的功率谱在低频段均表现出斜率为–1的特性.     

下击暴流作用下直立锁缝屋面系统抗风揭可靠度评估

为减少直立锁缝屋面系统在下击暴流作用下的风揭损毁事故,提出了下击暴流作用下的直立锁缝屋面系统抗风揭可靠度评估方法 . 采用大涡模拟（large eddy simulation,LES）方法来分析下击暴流作用下屋面风荷载特征,以不同的风向角为工况,得到屋面的极值风荷载大小及其分布位置. 选取屋面最不利位置建立局部仿真模型并推导了相应的失效准则和极限状态函数. 基于拉丁超立方抽样的Monte Carlo法（LHS-MCS）对下击暴流作用下的直立锁缝屋面系统进行可靠度评估. 结合常态风可靠指标以及相关规范对分析结果进行了评价. 研究结果表明：下击暴流相比常态风更易造成直立锁缝屋面系统风揭破坏,同时下击暴流作用下可靠指标仅满足规范要求的第三级安全水准,建议对重要建筑物进行直立锁缝屋面系统设计时考虑下击暴流的影响.     

串列风力机三维尾流场的实验研究

为了提高风电场效率,减小上游风力机尾流对下游风力机的影响,风电场中风力机的布置形式尤为重要.利用轴流式风机提供来流风速,使用三维超声波风速仪获得两台100 W水平轴风力机在不同串列间距时的尾流场速度分布及尾迹流动扩散规律.结果表明:在同一测量断面上随着径向距离的增大,轴向速度先增大后减小;随着串列间距的增大,相同测量断面上轴向速度逐渐增大,径向速度的波动幅值和频率减小,切向速度波动幅值减小.当径向距离为2倍风轮半径时,尾流流场中切向速度的波动幅值相差不大;串列间距不变时,随着轴向距离的增大,轴向速度逐渐增大,且速度变化幅度逐渐趋于平缓,速度峰值也由风轮中心沿径向向外推移,径向速度和切向速度的波动幅值减小.上游风力机的存在使得尾流流场中径向速度和切向速度的波动幅值增大,同时使得下游风力机输出功率减小.风电场规划中应尽量避免风力机串列布置.     

常规风和下击暴流作用下定日镜风压特性比较

利用计算流体动力学方法对常规风和下击暴流作用下定日镜的表面风压进行数值模拟和对比分析.研究结果表明:在常规风和下击暴流作用下,定日镜在各工作仰角下的迎风面均以正压为主,在镜面上边缘存在极小范围的负压区域,背风面负压整体呈现上部小、下部大对称分布的特点.随着工作仰角的增大,在常规风和下击暴流作用下,定日镜迎风面压力峰值中心均由底部逐渐上移,峰值压力逐渐增大,当处于大工作仰角时,迎风面高压区在常规风风场中位于上部,而下击暴流风场中位于中部且高压区分布范围比常规风更大.定日镜背风面负压峰值随工作仰角增大在常规风风场中逐渐减小,而在下击暴流风场中背风面压力基本不变,当处于小工作仰角时,在常规风风场中定日镜背风面谷值压力位于上部,分布梯度明显,在下击暴流风场中背风面压力分布较均匀.     

海面上下击暴流风场特性模拟及分析

为研究下击暴流作用于海洋上层水域的风场特性与风浪分布,基于CFD(computational fluid dynamics)技术,建立了二维几何模型,使用雷诺应力模型、多相流模型对二维下击暴流作用于海洋上层水域的过程进行数值模拟,开展了其速度变化时程、波高变化时程、特征时刻径向风速剖面、时均风速剖面与液相流速剖面的变化特性的分析.模拟结果表明：相对于平面陆地,下击暴流作用于海洋上层水域的前期径向气流方向有所抬升,风场稳定后径向气流中部仍表现为小幅抬升,至冲击中心水平方向远处逐渐平稳;冲击中心附近的海洋上层表面随下击暴流持续作用表面产生下凹,随时间增加下凹加剧,产生的冲击波向两侧传递,随时间发展在径向气流作用下产生长短不一的波;早期径向风速值将超过初始下沉气流风速值,最大达到下沉气流速度值的1.2倍,易联合风浪作用使海上舰船发生倾覆,海上舰船应利用其特征防范与抵御下击暴流;径向时均风速最大值所在高度较下击暴流作用于陆地时要高.     

基于边界层风洞的下击暴流稳态风场特性数值模拟

针对下击暴流稳态风场模拟问题,基于计算流体动力学方法(Computational Fluid Dynamics,CFD),首先分别采用二维、三维冲击射流模型对下击暴流风场进行数值模拟,对下击暴流风场特性进行研究.在此基础上,根据下击暴流对桥梁结构作用主要受水平风速影响的特点,采用二维数值模拟方法对边界层风洞中设置倾斜平板模拟下击暴流水平风速风场进行了研究.最后,设计并加工了边界层风洞下击暴流水平风速模拟试验装置,在边界层风洞中进行了下击暴流水平风速风场模拟试验,并将数值模拟结果与试验结果和已有文献结果进行了比较.结果表明:下击暴流风场的二维冲击射流模型模拟结果与三维冲击射流模型模拟结果吻合较好,即二维冲击射流模型是一种有效的下击暴流风场简化模拟方法;在边界层风洞中设置倾斜平板所模拟的下击暴流水平风速风场数值模拟结果和风洞试验结果具有较好的一致性,并与冲击射流模型数值模拟结果和现场实测结果均吻合较好,即在边界层风洞中设置倾斜平板可模拟下击暴流水平风速稳态风场特性.     

水平轴风力机三维尾流场的实验研究

以100W水平轴风力机为研究对象,利用三维超声波风速仪在风轮下游进行尾迹流场的速度测量.采用超声波时差法,获得风轮下游的三维尾流场信息.实验结果表明:风轮下游尾迹区内的流动存在明显的三维特性.由于风轮旋转和来流衰减,使得风力机尾迹区轴向速度存在严重的亏损,且尾迹区轴向速度亏损随着风轮下游轴向距离的增大逐渐减弱.但由于风轮旋转时叶尖涡脱落,在距测量中心径向较远处出现高速度区域.径向速度和切向速度在3倍风轮直径截面处最大,随着轴向距离的增大逐渐减小,且径向速度和切向速度的波动频率随着径向距离的增大逐渐减小.尾流场的湍流强度在风轮旋转半径内高于半径外,随着轴向距离的增大,湍流度先增大后减小,在远尾流区与大气来流逐渐融合,且流动逐渐趋于稳定,在8倍风轮直径位置处适合布置下游风力机.     

基于大涡模拟方法的风力机气动性能和尾流干扰研究

利用致动线(Actuator Line Method,ALM)和大涡模拟(Large-Eddy Simulation,LES)结合的方法,采用4种亚格子模型,对低湍流度均匀来流中不同转速下两台串列风力机的气动性能和尾流干扰开展数值模拟研究,并探讨了亚格子模型对尾流场模拟的影响.两台风力机功率系数和推力系数,以及尾流场的轴向平均速度和雷诺应力分布的计算结果与实验值基本吻合,验证了ALM-LES方法对风力机尾流研究的可靠性.受上游风力机尾流的影响,下游风力机功率系数和推力系数大幅降低,最大功率系数仅为上游风力机最大功率系数的25%左右.与来流风况的低湍流度相比,风力机尾流场中湍流强度大幅提高.通过不同亚格子模型计算结果的对比分析,得出亚格子模型的选择对风力机气动性能和尾流场湍流特征参数的计算影响较小.     

拉线门塔在下击暴流作用下的响应分析

以某220kV输电线路拉线门塔为工程背景,通过时程响应分析对比研究了拉线门塔在下击暴流与常规B类风场作用下的响应特性.建立了拉线门塔-输电线体系空间有限元模型并进行了动力特性分析,通过风洞试验测试了拉线门塔刚性模型和双分裂导线模型的体型系数,模拟了规范B类风场和下击暴流风场的脉动风荷载时程,采用Newmark-β法分析了拉线门塔在两种风场脉动荷载作用下的响应,并与规范设计荷载等效静力作用下的效应进行了比较.结果表明:拉线门塔在下击暴流作用下,立柱峰值压应力达到600MPa,是常规B类风场作用下的4.6倍;拉线极值拉应力达到1 300 MPa以上,是常规B类风场作用下的2.5倍;且拉线门塔位移响应以导线频率占主要成分的低频响应为主,导线荷载对拉线门塔位移响应影响显著而对其加速度响应影响甚微.比较研究表明,中国规范缺乏下击暴流风荷载的设计条文,但是对杆塔进行常规B类风场作用下的设计取值是合理的,而美国ASCE荷载导则的计算方法会低估下击暴流对拉线门塔的破坏作用.     

2011年8月18日福州地区下击暴流分析

利用多普勒雷达资料对福州地区2011年8月18日的两次下击暴流过程进行分析,结果表明,反射率强中心的逐步下降,使得风暴中层下沉气流加强,产生下击暴流,速度场上近地层速度产品呈现辐散结构、中层径向辐合的特征.此次过程风暴的强出流与风暴分离后并未减弱,持续了相当长的时间.利用WINDEX指数和风暴趋势图可以对下击暴流的预报提供帮助.     

大跨度斜拉桥下击暴流风致振动响应实测

以苏通长江公路大桥为工程背景,针对该桥风致振动响应监测系统实测的一次下击暴流风与桥梁结构振动加速度响应实测数据,对该桥在一次雷暴天气下风速、风向及主梁振动响应进行研究.首先,对桥位处下击暴流实测风速、风向数据进行分析,获得了该桥主梁跨中、桥塔塔顶处下击暴流风的时变平均风与脉动风特性;然后,对下击暴流作用下主梁风致振动加速度响应数据进行分析.结果表明:在下击暴流作用下,该桥主梁与塔顶高度处风速发生了明显突变,持续时间约为10～24 min;主跨跨中主梁外侧边缘处下游、上游侧最大瞬时风速分别为32.4 m/s和27.3 m/s,南、北桥塔塔顶高度处最大瞬时风速分别达60.5 m/s和62.9 m/s.主梁高度处30 s时距湍流度约0.048～0.32,10 min时距湍流度约0.43～0.51;主梁下游与北塔处折减脉动风速符合高斯特性,其功率谱与Burlando等学者的实测结果吻合较好.主梁跨中附近(即NJ26D、NJ32D拉索锚固处)发生了较为明显的短时竖向与横桥向振动,相应加速度响应幅值分别为0.25 m/s2和0.10 m/s2,对应位移幅值分别为0.12 m与0.03 m;主梁竖向振动响应明显大于横桥向振动响应,主梁竖向振动主频为0.183 Hz,与主梁全桥一阶正对称竖弯振型频率0.174 Hz接近;横桥向振动主频为0.117 Hz,与主梁全桥一阶正对称侧弯振型频率0.0975 Hz接近.     

基于S波段双偏振雷达的一次下击暴流初探

利用S和X波段两种双偏振雷达、日本葵花8号卫星、北京探空站等观测资料以及ERA5再分析数据，通过天气学分析方法和雷达回波特征分析方法，分析2022年6月17日冀中一次下击暴流天气过程的发生机理.结果表明：此次天气过程为弱强迫下发生的强对流天气，云团满足MCC的标准，不断累积的对流有效位能、抬高的自由对流高度构成下击暴流发生的有利环境；干空气夹卷、融化层上部湿区有利于水汽凝结，融化层下融化形成的大雨滴经蒸发降温，形成向下的负浮力是强下沉气流形成的主要原因；下沉辐散气流叠加在冷池密度流上，形成非对称下击暴流天气，在有利的环境背景条件下，微下击暴流指数可以作为下击暴流的一个参考指标；下击暴流发生前的雷达回波特征为速度图上中层径向辐合、低层辐散、反射率因子槽口以及反射率因子核心下降.