土木工程下击暴流风速数值模拟的研究

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1、振动与冲击第２９卷第１２期ＪＯＵＲＮＡＬＯＦＶＩＢＲＡＴＩＯＮＡＮＤＳＨＯＣＫＶｏｌ．２９Ｎｏ．１２２０１０土木工程下击暴流风速数值模拟的研究１１２１李春祥，刘晨哲，申建红，李锦华（１．上海大学土木工程系，上海２０００７２；２．青岛理工大学土木工程学院，青岛２６６５２０）摘要：雷暴天气下击暴流之类的高强风对诸如输电塔这样的晶格状结构具有很大的破坏性。因此，建立可靠合理的下击暴流风速模型来分析这些结构在这种极端风荷载作用下的

2、动力响应是很有必要的。通过运用一些时频分析工具可以发现：下击暴流风速表现出明显的非平稳性。而且，下击暴流非平稳风速时程可以分解为随时间变化的平均风速即时变平均风速与具有一定相关性的随机脉动成分。基于Ｈｏｌｍｅｓ平均风速模型和Ｖｉｃｒｏｙ风速竖向分布模型，使用Ｄｅｏｄａｔｉｓ提出的均匀调制非平稳随机场的模拟方法，数值模拟了雷暴天气下击暴流行进路线上某一固定位置处的竖向分布风速场。在随机脉动成分的数值模拟过程中，引入了三次样条函数插值技术，以减少Ｃｈｏｌｅｓｋｙ分解的次数，进一步提高了数值模拟雷暴天气下击暴流风速的效率。关

3、键词：下击暴流；时变平均风速；数值模拟；三次样条函数插值技术；谐波叠加法中图分类号：ＴＵ３１１文献标识码：Ａ下击暴流往往伴随着雷暴天气而出现，经常会产的平均风速。这种模型将下击暴流的平移速度与下击生一些极端的风荷载情况。由下击暴流所引发的结构暴流产生的径向风速进行了矢量合成。然而，在破坏在世界各地都有发生，近年来已经引起了广泛的Ｈｏｌｍｅｓ的经验模型中没有考虑风速场的竖向分布。［５］注意。根据有关机构的记录，在美国、澳大利亚、南非Ｏｓｅｇｕｅｒａ和Ｂｏｗｌｅｓ提出了一个能够满足流体质量连［６］等地，大约８０％与气候相关的

4、输电塔破坏是由下击暴续性要求的竖向分布的表达式。而Ｖｉｃｒｏｙ对Ｏｓｅｇ［１］流或龙卷风这类高强风所导致的。下击暴流为雷暴ｕｅｒａ和Ｂｏｗｌｅｓ的竖向分布模型进行了修改，并提出了天气中强烈的下沉气流猛烈撞击地面，并由撞击点向一种轴对称的下击暴流风速场竖向分布的经验模型。［７］四周沿地表传播的极具突发性和破坏性的一种强风。Ｗｏｏｄ等基于下降气流的风洞实验数据，提出了一种［２］Ｃｈａｙ和Ｌｅｔｃｈｆｏｒｄ解释了下击暴流的形成方式。具体与计算流体动力学（ＣＦＤ）分析模型相吻合的风速场分［１］为：当地表附近的空气被加热后就会产

5、生对流现象，对布模型。Ｓａｖｏｒｙ等运用Ｈｏｌｍｅｓ的经验模型研究了输流使得潮湿的空气上升并形成上升气流，随后当潮湿电塔在下击暴流之类高强度风速场作用下的破坏情的空气开始浓缩和冷却时，上升过程就停止了。冷却况。由于Ｈｏｌｍｅｓ的经验模型没有考虑风速场的随机后密度变大的空气开始加速向地表运动并形成下降气波动成分，可能会低估了下击暴流风荷载作用下结构流，当强度较大的下降气流剧烈地与地面碰撞并向四［８］的动力响应。最近，我国风工程专家瞿伟廉在将下周扩散就形成了下击暴流这种强风。击暴流分解为一个确定的时变平均成分和一个调制非［３

6、］国外学者对下击暴流进行了数次实测，发现下平稳的脉动成分的前提下，考虑距离变化对风速的影击暴流所产生的风速场的竖向分布与传统大气边界层响，研究了平均成分的特点和模拟方法。李春祥等［９］风速场的分布有很大的不同。下击暴流风速场中最大阐述了输电塔线体系抗下击暴流风荷载设计的重要风速的位置比较接近地表面，离地表较远处的风速相性，提出了有待于研究的若干问题。当前，就非平稳随对较小。下击暴流风速具有很强的非平稳性，雷暴的机场的数值模拟而言，国内外学者基本都是针对非平平移速度对风速场有较大的影响，大约占到风速场平稳地震的情况。Ｄｅｏ

7、ｄａｔｉｓ［１０］提出了一种基于进化谱的均风速的三分之一。而且，下击暴流风速场中随机脉均匀调制非平稳地震随机场的数值模拟方法，并且可动部分风速有着较强的相关性，可能会对结构产生更以运用快速傅里叶变换（ＦＦＴ）来提高其模拟的效率。大的动力响应。国外许多学者对下击暴流风速场的时Ｃｈｅｎ和Ｌｅｔｃｈｆｏｒｄ［１１］通过对下击暴流风速场实测数据［４］变平均风速的模拟提出了自己的一些模型。Ｈｏｌｍｅｓ的时频分析，发现风速场的随机脉动成分的调制函数基于碰撞射流理论提出了一种经验模型用以模拟下击大致是随时间变化的平均风速乘上一个系数（

8、调制函暴流行进过程中对某一固定位置所产生的随时间变化数）。鉴于上述，本文针对下击暴流非平稳风速场，采用基金项目：国家自然科学基金（５０５７８０９２）；山东省自然科学基金资助项Ｈｏｌｍｅｓ平均风速模型、Ｖｉｃｒｏｙ竖向分布模型、及Ｄｅｏｄａ目（ＺＲ２００９ＦＭ０４５）ｔｉｓ提出的均匀调制非平稳随机场模拟方法，将数值模