边界层湍流资料处理方法对风工程参数的影响_宋丽莉
流体力学中的流体中的湍流边界层
流体力学中的流体中的湍流边界层流体力学是研究流体的运动规律和性质的学科，湍流边界层则是流体力学中一个重要概念。
本文将对流体力学中的湍流边界层进行详细的介绍和论述。
一、湍流边界层的定义湍流边界层是指在流体中，当流动达到一定速度时，边界层内会出现湍流现象。
边界层是指流体靠近固体边界时速度逐渐减小，同时摩擦力逐渐增大的区域。
湍流边界层的形成使得流体流动变得非常复杂，是流体力学中的一个重要研究对象。
二、湍流边界层的特征1. 非线性：湍流边界层的速度和摩擦力分布呈现出非线性分布，即速度和摩擦力随着距离的增加而发生剧烈变化。
2. 随机性：湍流边界层的湍流运动是随机的，速度和摩擦力的变化具有不可预见性。
3. 涡旋结构：湍流边界层中存在大量的涡旋结构，这些涡旋会不停地生成、移动和消失，对流体的运动产生明显的影响。
三、湍流边界层的数学模型为了研究湍流边界层的运动规律，研究者提出了一系列的数学模型。
其中最著名的是雷诺平均纳维-斯托克斯（RANS）方程。
RANS方程是一组描述湍流边界层中平均速度和摩擦力变化的偏微分方程，通过求解这组方程可以得到湍流边界层的平均流动特性。
四、湍流边界层的应用湍流边界层在工程领域有着广泛的应用。
在飞机设计中，研究湍流边界层可以帮助减小气动阻力，提高飞行效率。
在水利工程中，研究湍流边界层可以帮助提高水泵效率和减少流体阻力。
在能源领域，湍流边界层的研究可以改善风力发电机的叶片设计，提高电能转化效率。
五、湍流边界层的挑战和前景湍流边界层的研究仍然面临着一些挑战。
湍流边界层的数学模型仍然不够精确，目前还没有能够完全描述湍流边界层的理论。
此外，湍流边界层的计算复杂度较高，需要大量的计算资源支持。
然而，随着计算机技术的不断进步，湍流边界层的研究将会取得更大的突破，为各个领域的工程应用提供更多的可能性。
六、结论湍流边界层是流体力学中的一个重要概念，具有非线性、随机性和涡旋结构等特征。
通过数学模型的建立和求解，可以揭示湍流边界层的运动规律。
大气边界层中的湍流湍流衰减分析
大气边界层中的湍流湍流衰减分析大气边界层是指大气和地表之间的相互作用区域，是大气中湍流产生和传播的重要区域。
湍流在大气边界层中存在着湍流能量的传递和湍流衰减的过程，对大气层的运动和气象现象有着重要影响。
本文将探讨大气边界层中湍流的衰减机制及其分析方法。
一、湍流衰减的机制湍流在大气边界层中的衰减主要受到以下几个因素的影响：1. 摩擦：地表的摩擦作用能够减弱湍流能量的传递，使湍流能量逐渐转化为内能而减弱。
2. 湍流混合：湍流传播过程中，不同高度上的气体发生混合，导致湍流的衰减。
3. 温度变化：温度的垂直变化会导致湍流的衰减，温度层结不利于湍流的发展。
二、湍流衰减的分析方法为了分析大气边界层中湍流的衰减情况，研究者们提出了多种方法和模型，下面介绍一些常用的分析方法：1. 相关性分析：通过分析湍流之间的相关性，可以了解湍流的传播和衰减过程。
相关性分析可以通过测量湍流速度、温度等参数的时间序列数据，并进行相关性计算得到。
2. 地面观测：利用地面观测站点测量湍流参数，如湍流强度、湍流能谱等，通过对观测数据的分析可以得到湍流衰减的信息。
3. 模型模拟：建立湍流衰减的数学模型，通过模拟计算得到湍流在大气边界层中的传播和衰减过程。
常用的模型包括Reynolds平均Navier-Stokes方程和湍流动能方程等。
三、湍流衰减的研究进展近年来，随着观测技术和数值模拟能力的提高，湍流衰减的研究取得了一系列重要的进展：1. 精细观测：通过使用多种精密仪器和观测手段，可以获取更准确的湍流参数数据，从而推动湍流衰减的研究。
2. 大气模式模拟：利用大气模式模拟湍流在大气边界层中的传播和衰减过程，可以揭示湍流衰减的物理机制和动力学过程。
3. 数据分析和统计方法：结合数据分析和统计方法，可以对湍流衰减进行更全面和系统的研究，为湍流的预测和控制提供理论依据。
综上所述，湍流在大气边界层中的衰减是一个复杂的物理过程，受到多种因素的影响。
大气边界层中的湍流参数化方案
大气边界层中的湍流参数化方案大气边界层（ABL）是地球上大气系统中非常重要的一层。
它直接接触地表，对于能量和质量的交换至关重要。
湍流是描述ABL中空气运动和混合过程的关键因素之一。
由于湍流的非线性特性和多尺度特点，准确地描述湍流过程一直是一个具有挑战性的问题。
为了模拟和预测ABL中的湍流现象，科学家们提出了湍流参数化的方案。
一、湍流在大气边界层中的重要性在大气中，湍流通常由大尺度的运动驱动，而小尺度的湍流运动混合和传输能量、质量和动量。
在ABL中，这种混合和传输对于大气的稳定性、温度和湿度的分布以及气象现象的发生都有着重要的影响。
二、湍流参数化的概念湍流参数化的目的是通过简化湍流过程的复杂性，将其表示为数学公式或参数，以便在大规模气象模型中使用。
这样可以对ABL中的湍流进行合理的模拟和预测，从而提高气象预报的准确性。
三、湍流模型的发展历程湍流模型的发展可以追溯到20世纪50年代，最早的模型主要基于实验观测和经验公式。
随着计算机技术的发展和数值模拟方法的应用，湍流模型逐步向基于物理过程的形式发展。
目前常用的湍流参数化方案包括K模型、Eddy-Diffusivity模型、多尺度模型等。
四、常用的湍流参数化方案1. K模型K模型是湍流模型中最常用的一种。
它基于湍流动能方程和湍流能量方程，通过求解这两个方程来得到湍流各向同性扩散性能的参数。
K 模型假设大尺度湍流运动能的传输主导了小尺度湍流运动能的传输，适用于变化较慢的湍流过程。
2. Eddy-Diffusivity模型Eddy-Diffusivity模型通过引入湍流扩散系数来描述湍流运动的传输特性。
它假设涡旋扩散系数与时空尺度无关，适用于中等尺度的湍流过程。
3. 多尺度模型多尺度模型是一种结合了K模型和Eddy-Diffusivity模型的参数化方案。
它将不同尺度上湍流的传输特性综合考虑，适用于同时存在不同尺度湍流运动的情况。
五、湍流参数化的应用湍流参数化方案广泛应用于大气模式和气象预报中。
大气边界层中的湍流能量谱分析
大气边界层中的湍流能量谱分析大气边界层是地球上大气与地表之间的过渡区域，在大气科学研究中具有重要的意义。
湍流是大气边界层中广泛存在的一种复杂运动形式，而湍流能量谱是湍流研究中常用的分析工具之一。
本文将探讨大气边界层中的湍流能量谱分析方法及其应用。
一、湍流能量谱的基本概念湍流能量谱是描述湍流内部运动能量分布的一种数学工具，它可以分析不同尺度上湍流能量的分布状况。
在大气边界层中，湍流能量谱通常是通过测量风速的时间序列数据得到的。
二、湍流能量谱的计算方法湍流能量谱的计算方法主要包括时间积分法和空间积分法两种。
时间积分法是将风速时间序列数据进行傅里叶变换，得到频谱密度函数。
空间积分法则是将风速场离散化，通过傅里叶变换得到分析波数上的湍流能量谱。
三、湍流能量谱的物理解释湍流能量谱可以帮助我们理解湍流在不同尺度上的能量转移过程。
通常情况下，湍流能量谱呈现出一个范围较宽的能量分布，存在着能量聚集在大尺度和小尺度的现象。
根据湍流能量谱的特点，我们可以进一步分析湍流的动力机制和能量传递规律。
四、湍流能量谱在大气边界层研究中的应用湍流能量谱在大气边界层研究中有广泛的应用。
首先，通过湍流能量谱的分析，我们可以了解大气边界层中湍流的空间分布特征，为风能利用和空气污染传输等问题提供参考依据。
其次，湍流能量谱还可以用于模拟大气边界层湍流，对天气和气候预报、飞行安全等问题具有重要意义。
五、湍流能量谱分析的挑战与展望在湍流能量谱分析中面临着数据质量、计算方法等方面的挑战。
未来的研究可以结合更多的观测数据和模拟方法，提高湍流能量谱分析的精度和可靠性。
此外，研究人员还可以探索湍流能量谱与其他物理量之间的关系，以进一步完善湍流能量谱的理论模型和应用。
六、结论湍流能量谱作为分析大气边界层中湍流特征的重要工具，在大气科学研究中扮演着重要的角色。
通过湍流能量谱的分析，我们可以深入了解湍流在不同尺度上的能量分布特征，揭示湍流的动力机制和能量传递规律。
大气边界层湍流模型研究及在工程中的应用
大气边界层湍流模型研究及在工程中的应用1. 引言大气边界层是大气系统中与地面相互作用最为剧烈的区域之一，对于理解大气运动、气候变化以及工程建设等具有重要意义。
在大气边界层中，湍流是一种普遍存在的现象，由于其复杂性和难以预测性，湍流模型的研究一直是科学界的热点之一。
本文将探讨大气边界层湍流模型的研究现状以及在工程中的应用。
2. 湍流模型的分类湍流模型可以分为统计模型和物理模型两种。
统计模型基于湍流统计性质的假设，通过参数化湍流统计量来描述湍流传输过程；物理模型则基于湍流动力学方程的求解，通过数值模拟等方法来模拟湍流流场。
3. 大气边界层湍流模型研究现状近年来，随着计算能力的不断提升和观测技术的不断发展，研究者们对于大气边界层湍流模型的研究取得了显著的进展。
以统计模型为例，目前广泛应用的湍流模型包括K模型、RANS模型等，它们通过对湍流长度尺度和时间尺度等参数的参数化，来描述湍流传输过程。
物理模型方面，LES模型、DNS模型等采用直接数值模拟的方法，能够较为准确地模拟湍流流场，但由于计算成本较高，目前仅在研究领域得到了广泛应用。
4. 大气边界层湍流模型在工程中的应用由于大气边界层湍流的不稳定性和复杂性，工程领域对于湍流模型的需求十分迫切。
湍流模型在工程中的应用包括风力发电、建筑物结构设计以及航空航天等领域。
例如，在风力发电中，湍流模型可以帮助预测风机受到的风载荷，从而设计更加可靠的风力发电装置；在建筑物结构设计中，湍流模型可以用于评估建筑物的风荷载，从而决定结构的安全性。
5. 挑战与展望尽管湍流模型在大气边界层研究和工程应用中发挥了重要作用，但仍存在一些挑战。
首先，湍流模型对于复杂地形和复杂边界条件的适应性仍有待提高；其次，湍流模型的参数化和求解方法需要不断优化，以提高模型的准确性和可靠性。
未来，随着计算能力的不断提升和观测技术的不断发展，大气边界层湍流模型的研究将迎来更多的机遇和挑战，我们有理由相信，在不久的将来，湍流模型将在更多领域中得到广泛应用。
大气边界层湍流结构对风电场布局的影响
大气边界层湍流结构对风电场布局的影响大气边界层是指位于地面附近的一层大气环境，这一层对于风电场的运行和发电效率具有重要影响。
其中，湍流结构是大气边界层中一个关键的参数，对风速分布和风能捕捉存在显著影响。
本文将探讨大气边界层湍流结构对风电场布局的影响，并提供相应的解决方案。
一、影响因素分析1.1 地形地形是影响湍流结构的主要因素之一。
不同的地形特征会导致湍流的产生和发展模式不同。
例如，复杂的山地地形会增加湍流的强度和频率，因为山脉会导致局地风速的剧烈变化。
因此，在风电场布局中，对地形的分析是必要的，以避免湍流对风机的损坏和发电效率的降低。
1.2 大气稳定度大气稳定度是另一个影响湍流结构的重要因素。
大气稳定度的不同导致了湍流发展的差异。
在稳定的大气条件下，湍流强度较弱；而在不稳定的大气条件下，湍流强度较强。
因此，在风电场的布局中，需要考虑大气稳定度对湍流结构的影响，以选择合适的风机类型和布局方式。
二、湍流结构在风电场布局中的影响2.1 风速分布湍流结构对风速分布具有显著影响。
较强的湍流会导致风速的剧烈变化，使得风机的受力情况不稳定。
这可能导致风机产生过大的振动，从而影响其安全性和发电效率。
因此，在风电场的布局中，需要充分考虑湍流结构对风速分布的影响，以降低风机的振动风险。
2.2 风能捕捉效率湍流结构对风能捕捉效率也有重要影响。
较强的湍流会使风机受到更多的阻力，从而降低风能的转化效率。
此外，湍流还会导致气流的不稳定，使得风机受力不均匀，进一步降低了风能捕捉的效率。
因此，在风电场的布局中，需要通过合理的风机间距和布局方式来降低湍流对风能捕捉效率的影响。
三、应对策略3.1 优化布局通过合理的风机间距和布局方式，可以降低湍流对风电场布局的影响。
这需要考虑湍流结构的分布特征，尽量减少湍流强度较大的区域。
通过科学的建模和仿真技术，可以评估不同布局方案的湍流影响，并选择最优方案。
3.2 技术改进针对湍流结构对风机振动和发电效率的影响，可以通过技术改进来降低其负面影响。
流体力学中的湍流流动与边界层
流体力学中的湍流流动与边界层流体力学是研究流体运动规律的学科，其中的湍流流动和边界层是流体力学中的重要概念和研究内容。
本文将详细介绍流体力学中的湍流流动和边界层，并探讨它们在实际应用中的重要性。
一、湍流流动湍流是流体力学中流动状态的一种，具有不规则、随机、混沌等特点。
相比于层流流动，湍流流动更为复杂和难以预测，主要体现在流速和压力的不规则变化上。
湍流流动的产生与流体的运动粘滞性、速度梯度和流速等因素有关。
当流体速度达到一定值时，流体内的涡旋和涡核开始发生不断变化与演化，从而形成湍流。
湍流的特点包括涡旋的旋转、涡核的运动、速度的乱流扩散等。
湍流流动在自然界和工程领域中广泛存在。
例如，在大气环流中，气候系统中的飓风和龙卷风就是湍流现象的典型表现。
此外，湍流流动还广泛应用于船舶、飞机、汽车等交通工具的设计和流体动力学的研究中。
二、边界层边界层是流体力学中的一个概念，指的是流体运动中与边界接触的区域。
边界层中的流体速度和压力分布具有明显的变化，可以用来描述流体在壁面附近的流动特性。
边界层主要有两种类型：层流边界层和湍流边界层。
层流边界层是指流体在边界附近以有序的方式流动，流速梯度较小，流体粘性起主导作用。
湍流边界层是指在湍流环境下，流体在边界附近的混乱流动。
边界层的存在对流体运动过程起到了重要作用。
首先，边界层中的摩擦力会对物体表面施加阻力，影响物体的运动。
其次，边界层中的速度分布对流动的稳定性和流体的传热性能产生重要影响。
三、湍流流动与边界层的关系湍流流动与边界层密切相关。
在边界层内，由于速度和压力的不规则变化，往往会导致流动变为湍流。
特别是当流速较大或受到外界扰动时，湍流的发展更加明显。
湍流边界层的存在使得流体在边界附近的运动更为复杂，涡旋和涡核的形成与演化对流动的稳定性和传热传质过程产生了影响。
同时，湍流边界层的存在也为流体的混合和动量交换提供了机会，使得流体的运动更为强烈和混乱。
在实际工程应用中，湍流边界层的研究对于流体动力学分析、流体传热传质等方面具有重要意义。
大气边界层中的湍流与混合过程研究
大气边界层中的湍流与混合过程研究大气边界层是指地球表面与大气中最接近地面的一层空间。
在这一层中，湍流和混合过程对大气的运动和物质交换起着重要作用。
本文将探讨大气边界层中湍流和混合过程的研究进展。
一、湍流现象及其特点湍流是指流体中的各种无规则、复杂、混乱的运动现象。
大气边界层中存在着各种尺度的湍流，从微观的小尺度湍流到宏观的大尺度湍流，都对大气的运动和物质交换起着重要作用。
湍流的主要特点是不规则、非线性、随机性和多尺度。
二、湍流理论的研究进展随着计算机技术和数值模拟方法的发展，湍流理论取得了很大的进展。
目前，湍流理论的主要方法包括直接数值模拟、大涡模拟和雷诺平均纳维-斯托克斯方程等。
通过这些方法，研究人员能够更好地理解湍流的形成机制和发展规律。
三、湍流对大气运动的影响湍流在大气中的运动对大气的能量传输、物质混合和边界层高度的发展等方面起着重要作用。
湍流脉动的存在使得大气运动更加复杂，产生了风速垂直剖面的不规则性和高低波动。
此外，湍流还影响了大气中的空气质量和颗粒物的输送。
四、湍流与气候变化的关系湍流对气候变化有着重要的影响。
湍流的形成和发展受到地表热源和地形的影响，而气候变化又会改变地表温度和地形，从而影响湍流的形成和发展。
因此，湍流与气候变化之间存在着复杂的相互关系。
五、湍流的观测与测量方法湍流的观测与测量是湍流研究的基础。
目前常用的湍流观测与测量方法包括风廓线雷达、气象声波探测器和气象探空等。
这些方法能够提供湍流的相关参数，如湍流动能、湍流强度和湍流时间尺度等。
六、大气边界层中的混合过程在大气边界层中，湍流是驱动混合过程的主要机制。
混合过程包括热量、水汽和动量的垂直混合，对大气的能量平衡和湿度分布起着至关重要的作用。
湍流的存在使得边界层中的气溶胶和气体能够迅速混合并向上输送。
七、湍流模拟与预测湍流模拟与预测是湍流研究的重要方向。
通过数值模拟方法，可以模拟和预测大气边界层中的湍流和混合过程，为天气预报和气候模拟提供基础数据。
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第35卷第6期边界层湍流资料处理方法对风工程参数的影响*宋丽莉1)庞加斌2)毛慧琴1)刘爱君1)[提要] 对大气边界层湍流观测资料的处理常因分析目标的不同而采取不同的方法。
就不同地点(不同下垫面)、不同大气环流背景的多个大气边界层湍流观测个例的原始资料分别采取矢量法和模量法进行统计处理,并就其湍流脉动特征参数,例如平均风速、阵风因子、湍流度和湍流积分长度等,进行对比计算分析,得出了因对原始资料采取的处理方法不同,而对湍流脉动特征参数产生的影响程度,以及产生差别的原因。
建议风工程中合理选择计算方法。
[关键词] 风工程 参数 矢量法 模量法 湍流特征参数 处理方法Differenc e of the Ch aracte ristics of Fluctu ating Wind C au sed by Different Analysis Methods to Ob se rvation Data in the Bound ar y Layer/Song Lili 1,Pang Jiabin 2,M a o Huiqin 1,Liu Aijun 1(1Guangdong Climate and Agrometeorology Center,Guangzhou 510080,China;2State Key Lab.for Di saster Reduction in Civil Eng.,Dept.of Bridge Eng.,T ongji University,Shanghai 200092,China)Abstract:T here are normally two major methods acc ording to the w ay to deal w ith the horizontal w ind velocity,they a re vector method and modulus method.Since the different definit ions of horizontal w ind composite s have be en e m -ployed,ana lyzed re sults of the turbulence c haracterist ic s(e .g.,mean w ind speed,gust fa ctor,turbulence intensity,and integra l length of turbulenc e)corre spondingly fall in disagre em e nt.Ana lysis is made to thre e groups of strong w ind records w hich w e re measured at three place s w ith different unde rlying surface and under the c ontrol of different syn -optic systems.The above tw o m ethods are c ompared so a s to find out the difference betw een their statistical results and the rea sons to ca use the difference.K eyword s:vector method;modulus m ethod;turbulence charac t e ristics parameters1)广东省气候与农业气象中心,广州,510080;2)同济大学桥梁工程系土木工程防灾国家重点实验室,上海,200092。
*国家自然科学基金重大项目课题(项目号:59895410);广东省社会发展攻关项目课题(项目号:C32002)。
0 引言风速数据的统计处理有两种方法,即把水平风速矢量的两个分量看做二维分布或把风速和风向看做两个变量[2],不妨分别称之为/矢量法0和/模量法0。
矢量法将大气湍流风速矢量分解为纵向水平分量、横向水平分量和垂直分量,而模量法则认为自然风速仅包括水平分量和垂直分量。
两种处理方法的运用与研究者所处的工程背景有关,例如,结构风工程中注重风对结构的作用,由于结构的空间特性要求分析三维风速分量的相关特性,文[3],[4]等在对实测风速数据分析中均采用了矢量分解法;而常规气象观测多采用轴式风速仪,数据采集方式一般为模量法,所以在常规气象研究领域和气候统计学分析中,对水平风速处理常采用模量法[2]。
事实上,上述两种分析方法所得到的大气湍流特征参数存在着差别,但在相关实测资料的处理时常被忽略或混淆,甚至没有说明所用的方法,而对观测资料两种处理方法所得到的湍流脉动特征参数:例如平均风速、阵风因子、湍流度、功率谱密度和湍流积分长度等的差异究竟有多大,且对不同地点(不同下垫面)、不同天气型(例如台风)的影响,缺乏实际观测个例的对比分析。
下面利用近两年取得的实地观测数据,就此问题进行初步计算分析,以期对结构风工程的研究和应用提供参考。
1 观测实例及资料处理111仪器观测均采用美国Campbell Science 公司生产的CSAT 3d 型超声风速仪进行,该仪器被广泛应用于边界层湍流和结构风工程的测量,仪器在输出数据的同时,能自动给出判别码,以识别观测数据的有效性。
该仪器使用环境温度-30e ~50e ,水平方向风速量程?60m/s,测量精度<30mm/s,垂直方向量程?8m/s,测量精度<4mm/s,其最大动态响应频率60Hz,并通过PC 机串口程序实时存储,从而实现风速长时间不间断记录[7]。
观测采用10Hz 采样频率进行三维瞬时风速数据采集。
112观测目标和环境表1是在广东、江苏沿海不同下垫面、不同大气环流背景下的大气边界层湍流观测实例,时间均为2002年。
大气边界层湍流实测状况表1实例观测地点观测环境观测高度(m)天气背景样本观测时间过程平均风速(m/s)极大风速(m/s)a 广州气象观测站城市地貌,20~60m以外周围有低矮树木、建筑物。
10受0218号强热带风暴/黑格比0外围环流影响。
9.12日22:00~13日6:502.212.4b 广东,吴川海边渡假村,周围有低于10m高的建筑物。
150214号强热带风暴/黄蜂0登陆点以及台风过后的晴朗天气。
8.19日19:10~20日6:308.339.7c 江苏,常熟苏通长江公路大桥(拟建)桥位南岸,平原和开阔水面地貌。
30春季大风天气,晴天。
4.03日17:20~20:206.410.5113野点和坏点数据处理对各个观测过程,取多个样本进行分析,样本长度为10min[8],每个样本包含6000组数据。
根据仪器判别码,先去除样本数据中野点和坏点,同时采用线性插值法将该点补上。
所选样本要求资料坏点和野点数[ 10s,即坏点率<117%,为了使每个样本尽量满足平稳随机过程的要求,对时间序列采用多项式(二阶)拟合方法进行去倾处理。
2分析方法211矢量法矢量法[3,4]的思路是:首先确定一定基本时距内的主风向,然后通过矢量分解将水平脉动风速分解为沿主风向的分量和与其正交的侧向分量。
设水平平均风速和风向角分别为Uv 和5v,则U v= u(t)2+ v(t)2(1)5 v =tg-1( v(t)/u(t))(2)其中u(t),v(t)分别表示基本时距内水平方向风速平均值,5v通过u(t)和v(t)的符号确定其所在的风向区域。
处理实测资料时,仪器输出的三维风速u(t),v (t),w(t)是基于超声风速仪坐标下的序列,在此先由u(t),v(t)求出主导风向角5v,将仪器坐标旋转5v 角,得到自然坐标,x,y,z轴分别代表主风、侧风和垂直风向,垂直方向与仪器坐标相同,则u(t),v(t)在x,y轴的投影即为u c v(t),v c v(t),由以下公式计算: u c v(t)=u(t)cos5v+v(t)sin5v-U v(3)v c v(t)=-u(t)sin5v+v(t)cos5v(4)将处理后的数据序列用于计算各湍流特征量。
212模量法模量法[2]的思路是将测风仪输出的u(t),v(t)分量直接进行统计分析。
水平风速um(t)和风向5m(t)用下式表示:u m(t)=u(t)2+v(t)2tan(5m(t))=v(t)/u(t)(5)式中5m(t)通过u(t)和v(t)的符号确定其所在的风向区域。
由式(5),水平平均风速为:U m= u m(t)(6)在基本时距内,水平脉动速度分量u c m(t)为:u c m(t)=u m(t)-U m(7) 213湍流特征参量(1)湍流度II u=R u/U,I v=R v/U(8)其中Ru,R v分别为脉动风速u c(t)和v c(t)的均方根。
(2)阵风因子GG u(t g)=1+max[u(t g)]/UG v(t g)=max[ v(t g)]/U(9)式中tg为阵风持续期,结构风工程中定义阵风持续期为2~3s[5],文中t g取3s。
(3)湍流积分长度根据T aylor假设,湍流积分长度可由下式计算[6]:L x u=UR2uQ S0.050R u(S)d S(10)式中Ru(S)为自相关系数,S为积分步长。
3矢、模量两种分析方法的结果比较由于模量法的计算结果只有1个合成的水平风,其物理含义与矢量法的主风向分量相近,因此进行上述两个脉动分量计算结果的比较,并以矢量法的计算结果为基准进行各参量的相对差值计算。
各湍流特征参量相对差值见表2。
311平均风速图1实例b的平均风速相对差值时程曲线由表2可以看出,矢量法计算的平均风速值较模量法的小,且对不同实例,其偏小的程度有很大差异:实例a代表了粗糙度较大的城市下垫面的状况,两者的差异平均为14%,过程最大差值可达2214%;实例c 代表了粗糙度较小的野外空旷下垫面的状况,两者的平均差异只有014%,过程最大值也只有019%,最小值只有011%;实例b代表了粗糙度较小的海边下垫面的状况,该个例经历了强热带风暴中心经过及登陆后的晴朗和风状况,两者的过程差异变化很大(见图1),各实例模量法与矢量法各湍流参数相对差值表2样本序号平均风速$U (%)湍流度$I (%)阵风因子$G (%)湍流积分长度$L (%)ab c a b c a b cab c 19.81 5.44(0.11)-11.50-5.08(0.00)-8.09-33.73-0.0830.8314.67-0.59218.48 4.78(0.11)-13.95-3.32(0.00)-1.610.35(0.00)20.60-14.81-0.42321.47[7.92]0.22-19.65[-15.19]-1.92[-14.49][-36.97]-0.1752.37)-1.83419.10 5.310.23-12.36-13.11-1.23-11.79-34.43-0.1649.32)-1.38515.94 3.170.24-10.08-4.47(0.00)-4.11-1.92(0.00)26.38 2.030.01613.35 3.730.23-15.11-6.06-1.61-10.58(-0.27)0.0921.107.460.77713.80 4.060.84-14.16-6.74-2.31-11.28-3.02-0.2312.45 4.12 1.5287.68 2.560.37-10.64-5.23(0.00)-5.57-1.140.088.68[35.52]0.149(6.80) 1.590.84-6.75-4.43-2.06-4.10-1.86-0.2413.63 3.81-7.441019.06 1.760.21-16.34-5.36-1.20-7.75-4.190.1530.27 6.71-2.6911[22.36] 1.850.73-19.81-4.98-1.20-9.82-2.35(0.00)23.6818.87-2.111214.37 2.260.36-15.37-4.62-1.35-1.63-1.89(0.00)[81.63]7.66-0.781314.34 1.460.75-15.66-3.70(0.00)-10.04-0.87-1.0714.420.95 6.75149.54 2.200.35-8.51-4.10(0.00)-8.10-1.29-0.3410.54 5.310.481517.16 2.380.34-12.10-3.10-0.98-10.02-1.14-0.0842.07 6.28-1.601613.63 2.440.49-9.73-2.70-0.96-4.43-0.42-0.23 4.9620.06-1.641713.47 2.470.32(-5.24)-4.44-1.3911.92-3.73-0.0821.80-0.75-1.861816.40 2.000.50-19.35-4.02-2.35-9.78-1.22-0.2510.55 2.900.831910.75 2.520.44-13.94-4.92-1.43-8.03-0.80-0.4215.78 6.09-4.382016.27 2.220.46-18.87-5.11-1.37-12.03-1.48-0.5811.81 5.630.57219.40 1.960.41-9.11-5.51-1.30-7.50-2.78-0.0862.63 5.450.652213.57 1.030.29-14.99-4.46-1.25-11.66-1.970.16 6.370.21-2.04239.28 1.250.33-13.44-3.03-1.67-7.83-1.03-1.659.28-32.640.962411.90 2.010.50-17.48(-1.94)-0.97-5.85-1.21-0.08(1.21) 2.98-1.572511.90 1.220.47-20.28-2.62(0.00)-9.06-0.94-0.54-1.38-0.01-1.112613.53 1.210.49-16.37-3.37(0.00)-9.60-0.89(0.00)13.25-1.510.252710.16 1.070.31-14.07-3.52-2.86-6.13-0.530.088.68-7.52-4.07289.25 1.120.32-10.26-3.45(0.00)(-0.04)-2.04-0.07 5.81 1.22-0.692917.640.860.34[-20.29]-3.50-1.18-13.94-1.33-0.4125.21-3.05-3.303017.230.910.34-12.89-3.16[-2.94]-7.32-0.67[-1.68]37.21-0.89 1.203112.23 1.020.52-12.84-4.40-1.09-9.41-1.840.0830.140.85-0.963216.00 1.26[0.91]-16.54-4.32(0.00)-8.93-2.71(0.00)23.60-12.721.883314.95 1.240.37-10.63-3.77 1.11-9.29-2.200.1532.03 2.24(0.00)3417.60(0.85)0.37-15.97-2.68(0.00)-12.13-0.99-0.2422.32 1.35[18.14]3516.73 1.600.37-12.01-3.32-2.35-1.22-2.87(0.00)33.16-2.60-5.313612.11 1.210.55-10.75-2.80-1.39-4.79-0.750.1621.43(0.00) 1.253712.86 1.970.56-10.96-3.17-1.11-4.85-1.02-0.5318.41 1.48-2.643812.02 2.250.34-12.98-3.21(0.00)-0.25-0.66-0.9012.24 2.53-1.78平均14.002.270.42-13.71-4.55-1.01-7.14-4.18-0.2422.752.50-0.39注:[]表示该列绝对值的最大值,()表示该列绝对值的最小值。