大气边界层风特性

第二部分大气边界层风特性一、基本概念1．太阳对地球大气辐射加热不均匀产生压力梯度，使得空气相对于地表的运动而产生风。

太阳辐射在赤道处最强，在两极处最弱，伴以地球的辐射，产生温度差，进一步导致大气压力差。

这一压差是不稳定的。

在压力梯度作用下，空气加速流动，形成风。

2．在地球的温带地区，较强风的发生主要指大型气候和经常发生的非热带风暴，这种天气系统的大小一般为1500公里，发生频率大约为4天~一周。

在大西洋沿岸，中国沿海地区、日本东南沿海地区和其他太平洋地区，经常发生热带气旋（“热带风暴”、“台风”或“飓风”的总称），特别在台风级风暴发生时，这些地区会经历非常强烈的风暴。

这一天气系统的大小一般为300~500公里。

热带气旋内的风速，以近中心最大。

国际上以近中心最大风速作为分类标准：7级风（13.9~17.1m/s）以下时，叫“热带低压”；8~11级风速（17.2~32.6m/s）时叫“热带风暴”；12级及以上风速叫“台风”（东亚）或“飓风”（西印度群岛和大西洋一带）。

对整个地球来说，这种风暴发生的频率大约100次/年。

台风气候的统计更困难：发生概率小；范围小；风经常将风速仪吹坏，等等。

（西北利亚的布冷风——Buran）3．上海地区的风气候一般和两种大气现象有关。

即非台风气候和台风气候。

4. 大气边界层风的基本构成（图示）梯度风、梯度风高度平均风+脉动风（x，y，z三个方向）二、平均风特性1. 平均风a ． 平均风速随统计时距的长短而变化时距要有一定的长度，以保证风速的非平稳性以充分衰减以及结构能出现稳定响应；时距不能太长，以保证平均的结果能反映阵风性质。

Davenport 建议10~15分钟为最合适的时距。

目前，多数国家采用10分钟为平均风速的时距。

（美国最近改为3秒平均）b ．平均风速随高度而变化● 由于地表障碍物的作用而造成。

● 在离地表一定高度以上，平均风速沿高度没有变化。

这一高度称为梯度风高度，梯度风高度以上的风速称为梯度风速。

● 描述方法第一种为对数律方法，即 )z /z ln(u 5.2)z (U 0*=式中U （Z ）为Z 高度处的平均风速；u 为流动剪切速度，决定于地形的粗糙程度、风速及空气密度；Z 0为地面粗糙长度。

第二种方法，也是在实际中应用最为广泛的方法为幂函数方法。

即α⎪⎪⎭⎫⎝⎛=s s z z U z U )( c. 平均风速随地面粗糙程度而变化建筑物荷载规范规定：α=0.12，0.16，0.22和0.30（α= 0.30对大城市而言偏小。

80年末上海浦西中心区的α值为0.3）2.基本风速在规定的标准条件下的风速称为基本风速。

这里的标准条件是：桥梁：平坦开阔的地貌、10米高度处、10分钟平均、100年重现期风速。

建筑物：平坦开阔的地貌、10米高度处、10分钟平均、50年重现期风速。

将每年的最大风速作为统计样本，用某种分布函数来拟合，可推算出不同重现期下的结构的设计风速。

常用的分布函数有极值分布函数，皮尔逊分布函数、瑞利分布等。

、中国规范目前尚不考虑风向的影响。

这是很大的不足。

3．3．非标准条件下风速的计算（2） 非标准高度和非标准地貌情况由α⎪⎪⎭⎫⎝⎛=s s z z U )z (U 可得aBz z U U a a B B ααδδ⎪⎭⎫⎝⎛=⎪⎭⎫⎝⎛)(10 →aB aB B a z U z U ααδδ)()10()(=对于特殊地貌，如海岛、山口、盆地等，规范中给出了基本风速（风压）的修正值。

如特别重要的建筑物位于这些特殊地貌处，则应对这些特殊地貌进行风洞试验，以得到准确的风速修正系数。

风越过山坡、山谷、海岛等特殊情况，可参见相关文献。

中国建筑荷载规范的情况 （a ）山峰——修正系数25211⎥⎦⎤⎢⎣⎡⎪⎭⎫ ⎝⎛-+=H .z tg Bακηαtg —坡度，大于0.3时取0.3；κ—系数，取3.2；H —山顶全高；z —建筑物计算位置离建筑物地面的高度比如：H=100米，z=200米，αtg =0.3，则修正系数=1.39 （b ）山间盆地等闭塞地形，修正系数=0.75~0.85（c ） 与风向一致的山口、谷口，修正系数=1.2~1.5（3） 非标准时距情况非标准时距平均风速和标准时距平均风速之比G的统计值平均风速值是影响G t 的一个重要参数。

研究表明，10min 平均风速越高，Gt 越高。

阵风风速U Gd t G U G U ⋅=（4） 非标准重现期情况（新版建筑荷载规范中同时给出50年和100年重现期的基本风压（速））三、脉动风特性脉动风是一平稳的具有各态历经性的随机过程主要的统计量有：紊流度； 脉动风功率谱； 紊流积分尺度1． 紊流度)()()(z U z z I u u σ=)()()(z U z z I v v σ=)()()(z U z z I w w σ=特征：随高度而减小一些国家的规范中给出了不同地貌条件下紊流度随高度的变化。

在上海青海路老电视塔、广州白云宾馆和深圳圆贸大厦上进行风速实测的结果。

经统计分析给出了纵向紊流度的估算公式：αα7.10u z z 5.1I -⎪⎭⎫⎝⎛=该文测量结果还表明，上海浦西中心区当时的α值为0.3，因而对应的紊流度为()5.0u 10z45.0I -=（z=10, I=45%; z=50, I=20%; z=100, I=14%; z=200, I=10%; z=300, I=8%; z=400,I=7%）另有文献给出纵向紊流度的公式如下：⎪⎭⎫ ⎝⎛=0u z z ln 5.2k I式中，Z 0是地面粗糙长度，Z 是任意高度，两者单位均为米；k 是描述纵向紊流度的常数，假设不随高度变化。

Z 0和k 的关系见下表。

表 对应于不同Z 的k 值《公路桥梁抗风设计指南》中也给出纵向紊流度随高度及地貌条件变化的值，见表 。

该文还建议在没有详细测量资料时，I V 可取0.88Iu ，而Iw 可取0.5Iw 。

2．脉动风速功率谱脉动风速作为随机过程，谱曲线描述脉动风速中各频率处能量的大小。

（1） 自功率谱60年代的，Davenport 根据实测给出了如下的纵向脉动风速谱的公式：()3422214/*u u )n ,z (nS χχ+=式中，)(U /n 101200=χ；n 是频率（单位：Hz ）；U （10）是10 米高度处的平均风速（单位：米/秒）；剪切流动速度*u 的表达式为：)z /z ln(.)z (U u *052=Davenport 公式和高度无关，不能很好地反映实际情况。

Kaimal 于70年代初提出了新的谱公式：()352501200/*u f fu )n ,z (nS +=式中，)z (U /nz f =。

（各谱值相差很大，见有关报告）在APCWE-5上Holms 比较了三种谱，认为Davenport 谱太尖；Kaimal 谱太平；而Karmen 谱比较合理。

（三个谱的比较图）垂直方向脉动风速谱常采用如下形式：()22416ffu )n ,z (nS *w +=或352101363/*w ff .u )n ,z (nS +=（2）互功率谱根据实测和风洞试验结果，从工程应用出发，建议了如下的纵向脉动风速互谱的公式：)n ,x ,x (R )n ,x (S )n ,x ,x (S u u u u 212121= 式中，R u (x 1,x 2,n)为空间相关函数。

Scanlan 建议在桥梁风振响应分析时采用以下公式2121x x )z (U cnu e )n ,x ,x (R --=这里C 为常数，它反映了脉动风速空间相关程度，是地表粗糙度，离地高度及风速的函数，文献[ ]建议，在进行桥梁抖振估算时，C 取7~20。

C 在7~20的范围中取不同的值，对估算出的结构响应将产生很大影响（南浦、杨浦大桥等的响应相差可达一倍）。

由于目前缺少充分资料，一般难以给出某一特定结构上的C 的准确值，因此C 的取值的不完性是工程结构风响应计算不确定性的一个重要因素。

桥梁抗风设计中，一般偏保守地取C=7，与此相似，垂直脉动风速的互谱可表示为)n ,x ,x (R )n ,x (S )n ,x ,x (S w w w w 212121= 式中2121x x )z (U nc w e )n ,x ,x (R -'-=3．紊流积分尺度来流中旋涡的平均尺度定义为紊流尺度。

对应于u 、v 、w 三个脉动风速分量在x 、y 、z 三个方向的紊流尺度，共有九个。

根据定义，可给出紊流尺度的数学描述。

比如，纵向脉动速度u 在x 方向（和u 同向）上的紊流尺度为：⎰∞=0u AB 2u x u dx )x (C 1L σ这里 是A 、B 的点纵向脉动速度的互协方差函数。

描述了A 、B 两点纵向脉动速度的空间相关性。

相关性强，则紊流尺度大，对结构整体激励作用亦强。

变化趋势：（1）紊流尺度随高度降低而减小；（2）地面粗糙度增加，紊流尺度减小。

以下公式可用于粗略估计高度Z=10~240米范围内的纵向紊流尺度：mx u Cz L =式中C 和m 在图 中给出；Z 为高度。

文献[ ] 还给出了估算y u L 、z u L 和x w L 的公式： x u y u L .L 20≈506.z u zL ≈ z .L x w 40≈由于现场实测很困难，目前对其认识远不够深入。

即使有限的实测结果表现出很大差别。