风速时程数值模拟研究
浙东沿海地区台风脉动风速时程模拟研究
YANJ IUYUTANSUO１６０㊀«工程与建设»㊀２０１９年第３３卷第２期收稿日期:２０１９Ｇ０１Ｇ２８;修改日期:２０１９Ｇ０３Ｇ１５作者简介:马益平(１９６４－),男,浙江慈溪人,高级工程师．浙东沿海地区台风脉动风速时程模拟研究马益平,㊀张㊀灿,㊀江金权,㊀周东杰,㊀王朴炎,㊀俞梦迪(宁波市电力设计院有限公司,浙江宁波㊀３１５０２０)摘㊀要:台风是浙东沿海地区主要灾害性天气之一,容易导致避雷针等高耸结构发生风致振动甚至发生破坏.本文根据避雷针等高耸结构特点,采用高度相关的脉动风功率谱㊁自回归法(A u t oR e g r e s s i v e )和竖向相关性模拟了浙东沿海地区台风条件下脉动风速时程,并计算了特定平均风下不同高度处的脉动风速时程曲线和模拟功率谱密度,对比表明模拟功率谱密度与目标谱较为一致.该方法适用于浙东沿海地区避雷针等高耸结构的脉动风致振动响应分析.关键词:强风;脉动风速时程;风场模拟中图分类号:P ４４４㊀㊀㊀文献标识码:A㊀㊀㊀文章编号:１６７３Ｇ５７８１(２０１９)０２Ｇ０１６０Ｇ０３０㊀引㊀㊀言台风(热带气旋)是我国浙东沿海地区的主要灾害性天气之一,具有影响时间集中㊁持续时间短㊁强度大㊁破坏性强的特点.近年对浙东沿海地区影响较大的台风有:２０１４年台风 凤凰 ,中心最大风力１０级;２０１５年强台风 灿鸿 ,中心最大风力１４级;２０１７年台风 泰利 ,中心最大风力１４级;２０１８年台风 玛莉亚 ,中心最大风力１０级.强台风登陆后会给沿海地区带来各类灾害,例如台风带来的强降水导致山体滑坡㊁泥石流等地质灾害,强台风作用下各种建筑物的破坏等.特别是避雷针塔㊁输电线塔等高耸建筑和构筑物,由于其固有频率与脉动风卓越频率接近且结构柔度较大,在强台风作用下容易由于脉动风致振动效应导致该类结构的破坏.２００４年在浙江省石塘镇登陆的台风云娜 导致温㊁台地区电网受到大面积严重损坏,十余条高压输电线路发生导线落地㊁沿线发生基塔倒塌㊁２１００余条１０k V 输电线路发生大量倒杆斜杆[１].此外,变电站的避雷针塔与母线或变压器等设备距离较小.如果避雷针塔由于意外发生破坏甚至倒塌事故,轻则造成避雷效果失效,影响周边电力设施运行,重则导致电网事故,甚至造成严重经济损失.脉动风荷载主要与结构的形状和高度有关,是土木工程中大型结构的主要激励因素之一.在对结构的冲击和颤振分析的任何研究中,都是不可缺少地要考虑风速的,但准确的风速模型通常需要通过全尺观测或风洞实验来建立,那又将产生高昂的成本.因此,用数值模拟方法进行风效应模拟研究具有重要意义.在浙东沿海地区研究避雷针塔㊁输电线塔等高耸结构在强台风作用下的动力响应及结构分析,需要根据浙东沿海地区台风特性模拟该地区强风下脉动风速时程曲线及其相应的脉动风荷载时程.目前,谐波叠加法和线性滤波法是脉动风速时程模拟的两种主要方法.在以往的台风风场模拟和结构风振研究中,这两种方法都有被使用并证明了该方法的可行性.例如,徐旭等[２]在结合谐波叠加法和快速傅里叶变换的方法基础上,利用多种台风风速谱,模拟了多条与结构竖向高度相关的脉动风速曲线.胡雪莲等[３]采用自回归模型并利用赤池信息量准则(A k a i k e i n f o r m a t i o n c r i t e r i o n )确定自回归模型阶数,模拟了作用于大跨度结构的随机风荷载.本文基于自回归法(A u t oR e gr e s s i v e ,A R ),使用适用于浙东沿海地区的台风风速谱模型,根据避雷针塔㊁输电线塔等高耸结构的特点简化了空间相关性函数,实现了浙东沿海地区的台风下沿结构高度变化的脉动风速时程曲线模拟,并验证了其可行性.１㊀台风等级划分及风速级别热带气旋按国际惯例依据其中心附近最大风力分可为六个等级,其中台风㊁强台风和超强台风较易产生较大规模的破坏性灾害,具体的中心附近最大平均风速分别为:台风,最大风力１２~１３级,平均风速３２．７~４１．４m /s ;强台风:最大风力１４~１５级,平均风速４１．５~５０．９m /s ;超强台风:最大风力１６级或以上,平均风速大于５１．０m /s .根据近年在浙东沿海地区登陆的台风统计,该地区受影响较大的台风最大中心风力通常在１０级左右,因此本次研究选取１０m 高度处平均风速２５m /s 进行模拟.２㊀脉动风功率谱国内外学者对脉动风功率谱进行了大量研究,提出多种不０６１YANJ IUYUTANSUO㊀«工程与建设»㊀２０１９年第３３卷第２期１６１㊀同形式㊁不同适用条件的脉动风功率谱,如D a v e n po r t 谱㊁K a i m a l 谱等.２．１㊀D a v e n po r t 谱D a v e n po r t 谱是«建筑结构荷载规范»中风荷载计算规定所采用的风速功率谱.该脉动风速谱是D a v e n p o r t 根据分布于全世界不同地点㊁高度和气候环境的９０余次风速统计资料回归得到的,具有一定的代表性[４],其计算式为:S v (f )＝４k v －２１０x ２/(n (１＋x ２)４/３)x ＝１２００n / v １０n ＝ω/２πìîíïïï(１)式中:S v (f )为脉动风速功率谱密度;k 为地面粗糙度系数;v １０为标准高度为１０m 处的平均风速;n 为脉动风频率.２．２㊀K a i m a l 谱K a i m a l 考虑了脉动风速功率谱随高度的变化,其脉动风速功率谱表达式为:n S (f )V ２∗＝２００f(１＋５０f )５/３f ＝nz / V (z ) V (z )＝１kV ∗l n (z /z ０)(２)式中:k 为K a i m a l 常数.２．３㊀石沅谱石沅等[５]根据上海地区实测的台风特性,在D a v e n po r t 风速谱模型基础上进行修正,拟合给出了上海地区实测台风水平风速谱经验公式为:S v (n )＝５．４６k v ２１０x ２．４/(n (１＋１．５x ２)１．４)(３)㊀㊀由于缺少在浙东沿海地区的实测台风风速数据,因此本文采用上海地区实测拟合的台风风速谱石沅谱.石沅谱是在D a v e n p o r t 谱基础上的修正模型,虽然D a v e n p o r t 谱采用的假设是沿高度不变,但避雷针塔㊁输电线塔等高耸建筑和构筑物的高度依旧属于近地面高度,其存在的误差可以忽略.３㊀脉动风场模拟方法工程上风速根据周期可以被分解为平均风和脉动风,其中周期在１０分钟以上的为平均风,周期在几秒左右的为脉动风.在进行风荷载作用下结构的分析时,通常认为平均风形成的静力风荷载主要导致了结构承受的静力,而脉动风形成的动力风荷载则会导致结构承受动力荷载作用下的动力放大效应.因此脉动风的动力效应对于避雷针塔㊁输电线塔等高耸建筑和构筑物的结构分析相对平均风形成的静风荷载更为重要.根据风速样本统计通常认为,脉动风的风速时程是一个零均值平稳的高斯随机过程,目前通常采用C AW S (C o n s t a n tA m p l i t u d e W a v eS u p e r p o s i t i o n )法㊁WAWA (W a v e sw i t hW e i g h t e dA m pl i Ｇt u d e)法及线性回归滤波器法等数值模拟方法.３．１㊀谐波叠加法谐波叠加法适用于平稳高斯随机过程,算法简单,是一个模拟随机风场的有效方法.谐波叠加法基于三角级数求和,例如S h i n o z u k a 等[６]采用一般均匀过程的数字计算法模拟平稳随机场解决多变量均匀高斯随机过程.虽然谐波叠加法在结合了快速傅里叶变换(F F T )的技术后可以大幅改善其计算效率,但该系列的方法在当计算自由度较多时依旧存在计算量过大㊁效率较低以及由于迭代次数过多导致精度较差等问题.３．２㊀线性回归滤波法线性回归滤波法基于线性滤波器技术,包括自回归法(A u t oR e g r e s s i v e ,A R )㊁自回归移动平均法(A u t oR e g r e s s i v e M o v i n g A v e r a g e ,A R MA )等.自回归法可考虑到计算点之间的时间相关性,且不存在上述谐波叠加法存在的一系列问题[７].A R 模型主要应用于风力工程中的时间序列预测,因为它具有许多优点:算法简单,计算速度快.此外,它不仅可以考虑空间相关特性,还可以考虑风历史的时间依赖特性,并且可以通过M a t l a b 等计算机编程实现这些优点.虽然A R MA 模型优于A R 模型,但A R MA 模型的参数估计比A R 模型困难得多.因此,本文将用A R 模型来模拟自然风速过程.空间中M 个点相关脉动风速时程列向量的A R 模型可表示为:V (X ,Y ,Z ,t )＝－ðpk ＝１Ψk V (X ,Y ,Z ,t －k Δt )＋N (t )(４)式中:p 为自回归模型阶数,t 为时程风速模拟步长;Ψk 为模型自回归系数矩阵;N (t)为正态分布随机过程向量,表达式为N (t )＝L n (t).４㊀空间相关系数空间中风速时间历程的模拟必须考虑风速的空间相关性.空间中各点处的风速和风向是与其具体位置相关的,某空间点与最大风速出现点的距离跟该点在同一时刻最大风速出现的概率成反比.脉动风的空间相关性包括了水平相关和竖向相关.避雷针塔㊁输电线塔等高耸建筑和构筑物,在空间相关性上,具有竖向相关相对于水平相关更为显著的特点.因此,脉动风速空间相关性系数表达式可以表示为[８]:ρi j (z i ,z j )＝e x p (－|z i －z j |/L z )(５)㊀㊀不同空间点的脉动风风速功率谱密度之间存在如下关系:S i j ＝S i i (ω)S j j (ω)ρi j (６)式中:S i i (ω)㊁S j j (ω)为点i ㊁j 处脉动风速自功率谱密度;S i j 为点i ㊁j 处互功率谱密度;ρi j 为点i ㊁j 相关性系数.５㊀脉动风谱的生成和验证本文根据前述理论及方法编制了相应程序,实现了计算不１６１YANJ IUYUTANSUO１６２㊀«工程与建设»㊀２０１９年第３３卷第２期同高度处的脉动风速时程曲线.其中自回归阶数p 取为４,时间步长取０．１s ,计算高度可根据实际情况任意取值.图１给出了使用该程序计算得到的１５m ㊁２５m 和４５m 处的台风下脉动风时程曲线.图１㊀不同高度处台风下脉动风速时程模拟曲线由图１可知,在当前模拟条件下的脉动风速时程中,该地点的不同高度的最大风速出现在不同时刻;从脉动风速时程曲线中可以发现,脉动风具有明显的随机性特点,其风向在每一时刻都会发生变化.因此当脉动风作用在结构后,会产生明显不同于静风荷载作用的动力效应.图２㊀４５m 处脉动风功率谱密度与目标功率谱密度为验证本文模拟的台风脉动风谱的准确性,进行了模拟脉动风功率谱密度和目标功率谱密度对比,以４５m 高度处脉动风时程计算结果为例,如图２所示.结果显示４５m 处脉动风功率谱密度与目标功率谱密度在整个模拟频域范围内基本重合,表明本文上述模拟脉动风速谱能量分布与实际具有一致性,本文模拟得到的台风脉动风时程可用于进一步的结构分析.６㊀结论与建议本文利用线性滤波自回归法(A R 法)以及简化的空间相关性函数,选用了适用于浙东沿海地区的台风风速功率谱密度模型,计算了浙东沿海地区台风下脉动风速时程,并给出了不同高度处的台风脉动风速时程曲线及其功率谱密度.通过台风脉动风速功率谱密度与目标功率谱对比,验证了本文使用的台风脉动风时程模拟方法的可行性.本文的工作为进一步研究避雷针塔㊁输电塔等高耸构筑物在浙东沿海地区台风作用下脉动风致振动的动力响应奠定了基础,给进一步的台风脉动风致振动导致的结构破坏分析提供了计算依据.与此同时,台风风速谱模型由于地区性地形地貌特点而存在明显的地区性,因此为更有针对性地进行浙东沿海地区的强台风作用下结构分析,需在获得实测台风资料的基础上,拟合本地区特有的台风风谱模型.参考文献[１]㊀龚坚刚． 云娜 台风对浙江输电线路的危害分析与对策[J ]．浙江电力,２００５,２４(３):１７－１９．[２]㊀徐旭,刘玉．基于台风风谱的电视塔风场数值模拟[J ]．特种结构,２００８,２５(２):３９－４３．[３]㊀胡雪莲,李正良,晏致涛,等．大跨度桥梁结构风荷载模拟研究[J ]．重庆建筑大学学报,２００５,２７(３):６３－６７．[４]㊀F E N G M Q ,Z H A N G RC ．W i n d I n d u c e dV i b r a t i o nC h a r a c t e r i s Ｇt i c s o fN a n j i n g T V To w e r [J ]．I n t e r n a t i o n a l J o u r n a l o fN o n Ｇl i n e a r M e c h a n i c s ,１９９７,３２(４):６９３－７０６．[５]㊀石沅,陆威,钟严．上海地区台风结构特征研究[C ]．第二届全国结构风效应学术会议论文集,１９８８．[６]㊀S H I N O Z U K A M ,J a n C M．D i gi t a lS i m u l a t i o n o f R a n d o m P r o c e s s a n d I t sA p pl i c a t i o n s [J ]．J o u r n a l o f S o u n d a n dV i b r a t i o n ,１９７２,２５(１):１１１－１２８．[７]㊀Y A N G W W ,C H A N GTYP ,C H A N GCC ．A nE f f i c i e n tW i n dF i e l dS i m u l a t i o nT e c h n i q u e f o r B r i d g e [J ]．J o u r n a l o fW i n dE n gi Ｇn e e r i n g a n d I n d u s t r i a lA e r o d yn a m i c s ,１９９７,６７/６８:６９７－７０８．[８]㊀S H I O T A N IM ,I WA T A N IY．C o r r e l a t i o n s o fW i n dV e l o c i t i e s i nR e l a t i o n t oT h eG u s t i n g L o a d i n g s [C ]．P r o c e e d i n gso f t h eT h i r d I n t e r n a t i o n a l C o n f e r e n c e o nW i n dE f f e c t s o nB u i l d i n g s a n dS t r u c Ｇt u r e s ．T o k yo ,１９７１:５７－６７．２６１。
B类风场与台风风场下输电塔的风振响应和风振系数
B类风场与台风风场下输电塔的风振响应和风振系数楼文娟;夏亮;蒋莹;金晓华;王振华【摘要】为研究常规B类风场与台风风场下输电塔的风振响应差异,以沿海地区某四回路角钢输电塔为原型建立了有限元模型,采用谐波叠加法生成两类风场下的风速时程,并在时域内进行了输电塔风振响应和风振系数的数值分析.结果表明:台风风场的高湍流特性导致其作用时各测点的顺风向风振响应均大于B类风场下的对应值.两类风场下,输电塔的风振系数比值约为1.25.因此,台风多发地区的输电塔设计必须考虑台风高湍流引起的动力风荷载增大效应.此外还进行了气弹模型风洞试验,以研究不同风速下的气动响应和风振系数,并将试验结果与理论计算进行了分析比较,验证了数值分析的适用性.%A numerical analysis on the wind-induced response of a four-circuit angle-steel transmission tower under conventional terrain B wind field and typhoon wind field was performed. A FEM model was established, and the dynamic response was calculated under a fluctuating wind field simulated by using harmonic wave superimposing method. Based on data of numerical analysis, wind-induced responses under each wind field were discussed. Essential conclusions are as follows; high turbulence and strong variability of typhoon wind field have great influence on the response of transmission towers. The RMS of acceleration under typhoon wind field is larger than that under terrain B wind field. Under the two types of wind fields, the average ratio of wind load factor is about 1.25. Therefore, the design of transmission towers in typhoon-prone areas should take the fluctuating wind load magnification effect into consideration. Furthermore, the wind tunnel test on anaeroelastic model of the transmission tower was performed to study its wind-induced responses under different velocity. The test results were compared with theoretical values and the accuracy of the numerical analysis was verified.【期刊名称】《振动与冲击》【年(卷),期】2013(032)006【总页数】5页(P13-17)【关键词】输电塔;数值分析;风振响应;风振系数;台风风场【作者】楼文娟;夏亮;蒋莹;金晓华;王振华【作者单位】广东省电力设计研究院,广州510663【正文语种】中文【中图分类】TU973.32我国东南沿海为台风多发地区，台风风场的高湍流度、强离散性和强变异性等特征将产生与良态风作用下不同的复杂风振效应，而现行规范尚未涉及台风作用下输电塔风荷载的具体规定。
基于数值模拟的多风向角下索膜结构的风振响应分析
ｌ 刖 舌
非线 性 的切 线 刚度 矩 阵 ， Ｆ ｔ ｝ ｛ （） 为节 点 风荷 载 向量 。当不考 虑风 与结 构 的耦 合
｛ ｝ ｝ （） （）＝｝ ＋｛ ｝
（）３
索膜 结构 是 风敏 结 构 ． 荷 载 在 其 风
结 构 分 析 中 起 控 制 作 用 因 而 如 何 合 理 地 确 定 作 用 在 膜 面 上 的 风 载 ． 结 构 的 对
Ｐ
力学 模 型方 法 、 值 风洞 方 法 等 。由 于 数
第 一 种 方 法 过 于 简 化 ． 后 两 种 方 法 虽 而
析的重 点在 于 Ｃ 和 （） 的确定 。 由于索
膜 结 构 的 形 状 复 杂 且 多 变 ． 此 不 象 规 因 则 的 结 构 物 那 样 可 以 给 出 统 一 的 体 型 系 数 而 风 速 时 程 ｖ ｔ本 质 上 是 一 个 随 （）
和空 间相 关 性 的风 速 时程 曲线 （ 励 样 激 本） ：⑦ 对 不 同风 向 角下 的风压 分 布 情
［ ］ 为模 型的 自回归系数 ， Ｍｘ 为 Ｍ
况进行 数值模拟 ； ③根 据式（ ）式 （） １ 、 ２
两 步 模 拟 的 结 果 得 到 作 用 在 结 构 上 的
分 析 中 占 有 举 足 轻 重 的 地 位 ． 接 关 系 直 到 结 构 建 成 后 使 用 的 安 全 度 用 于 分 析 和解决 该 问 题 的方 法 主要有 ： 静 力方 拟 法 、 线 性 随 机 振 动 方 法 、 化 的 气 弹 非 简 式 （ ） ， 风 压 分 布 系 数 ， 即 ２中 Ｃ 为 也 体 型 系 数 ． 反 映 了 结 构 物 表 面 风 压 力 它
ｌ
（） ４
高耸结构风场的脉动风速时程模拟
143 四川建筑 第 30卷 3 期 2010. 06
%工 程 结 构%
为 的复函数。
H ( )中非对角项元素也可写成以下指数形式:
H jk ( ) =
H
* jk
(-
) ei#jk ( )
( 8)
j = 2, 3, ∃, n; k = 1, 2, ∃, j - 1; j > k
#jk (
) = arctan Im H jk ( Re H jk (
( 3)邱流潮 [ 10] 结合小湾电站 290 m 高拱 坝, 在 考虑坝水 流固耦合振动影响下, 分析和计算了拱坝 上游坝面 承受的动 水压力, 并特别对自由 表面 重力 波的影 响问 题、库底对 压力 波的吸收问题、水体压缩性的影响以及库 水域的有 效影响范 围等进行了分析。
3 试验研究
( 1)文献 [ 11]结合国内某高 拱坝, 首次进 行了模 拟人工 边界阻尼效应的拱坝 - 地 基动 力相互 作用 的振 动台动 力模 型试验研究, 探索了其对高拱坝地震动力影响机理;
) 2N 。
2N- 1
& hjm ( q∃ t) = B jm ( l∃ ) exp i( l∃ l= 0
而 Bjm ( l∃ ) 的值可以通过下式确定
) ( q∃ t)
( 12)
B jm ( l∃ ) =
2( ∃ )H jm ( m l) exp( i%m l)
0∗ l∗ N
0
N ∗ l∗ M - 1
2 谐波合成法
随机脉动风场 的实质 是一 种多维 多变 量的 零均值 的平
稳高斯随机过程。若不考虑多个方 向风速间 的相关性, 可以 把风场处理为多个独立 的一维多变量随机过程 [ 7] 。
大跨空间结构风速时程的数值模拟理论_边建烽
[收稿日期] 2004-06-17[作者简介] 边建烽(1979-),男,硕士研究生,研究方向:空间结构抗风大跨空间结构风速时程的数值模拟理论边建烽, 魏德敏(华南理工大学建筑学院,广东广州510640)[摘 要] 介绍了一种针对大跨空间结构抗风分析时域方法的具有空间相关性风场的计算机模拟方法(AR 法),给出了各种算法的关键步骤;指出了针对不同的结构应该选择合适的方法,在大跨桥梁中往往采用谐波叠加法,而在大跨屋盖等结构中采用AR 模型比较合适;通过算例,对AR 法的有关参数进行了讨论,得到了一些有意义的结论.[关键词] 大跨空间结构; 风场随机模拟; 相干函数; AR 模型[中图分类号] TU35212 [文献标识码] A [文章编号] 1000-9965(2005)01-0087-04Wind velocity time -history numerical simulation theoriesin long -span spatial structuresBIAN Jian-feng, WEI De-min(College of Architechture &Civil Engineering,South China University of Technology,Guangzhou 510640,China)[Abstract] Both considering time and spatial correlation,several stochastic wind field simu -lation methods are introduced for time-history analysis of spatial structures against wind load and the key algorithms involved are given.It is pointed out that the proper method should be adopted for different structures.Through a numerical exa mple,some advice is given about the simulation parame ters for the AR me thod.[Key words] long-span spatial structures; wind field stochastic simulation; coherence function; AR model风荷载是结构的重要设计荷载,尤其对于大跨空间屋盖结构(拉索膜、网壳等),往往成为其设计中的控制荷载.因此,对于一些大跨空间结构往往要在时域内进行风激励的动力时程分析,获得结构的响应信息,以确保结构的安全.要在时域内对结构进行风激励动力时程分析就必须得到相应的风速曲线.目前,记录到的强风作用过程应用于工程实际还不能普遍实现.近年来,随着计算机技术和随机模拟理论的日益发展,人工模拟结构的随机输入在工程研究中得到了广泛的应用.要使风模拟方法在实际结构设计计算中得到应用,就要求模拟风尽可能地接近和满足自然风的特性,方法上要具有普遍性和实用性.第26卷第1期2005年2月 暨南大学学报(自然科学版) Journal of Jinan University(Natural Science) Vol.26No.1 Feb.20051 风的基本特性目前,工程中将风处理成平均风和脉动风两部分.平均风在给定时间间隔内,风力大小、方向等不随时间而变化,其沿高度变化往往用按指数或对数的平均风剖面来描述;而脉动风往往作为具有零均值的各态历经的高斯随机过程处理,其特性主要采用脉动风速功率谱及相关函数来描述.111 脉动风的自相关功率谱目前工程中广泛采用的是Davenport 提出的沿高度不变的水平风速谱[1]S v (n)=4K v 210x 20n(1+x 20)4/3(1)式(1)中x 0=1200n/ v 10中;n 为频率(Hz);K 为地面粗糙系数.112 脉动风的互相关功率谱脉动风的互相关功率谱可通过相干函数求出S ij (n)=S i j (n)e i 7(n)=S (n)#Q ij #e i 7(n)(2)式(2)中S(n)为自相关功率谱;7(n)为互相关谱的相位角;Q ij 为相干函数.对于三维问题,相干函数一般具有如下的形式[2]:Q (p i ,p j ,n)=exp -2n C 2x (x i -x j )2+C 2y (y i -y j )2+C 2z (z i -z j )2 v pi +v pj (3)式(3)中C x 、C y 、C z 为常数,一般分别取为16,8,10;x 、y 、z 分别为垂直于来流的水平向、来流向和竖向; v pi 、v pj 为相应点的平均风速.由于谱密度函数完全表征了脉动风随机过程的频率含量和能量性质;相干函数和相位角反映了脉动风的相关性和相位关系,因此其被用作数学模型和模拟方法中的主要特征参数.2 模拟理论一般来说,不同高度处的风速作用不是同相位的,即阵风先作用于结构较高处,时间差S 之后,才作用于较低处,故风的互相关函数一般是不对称的,因此,互谱密度函数也是复数的,也包含两部分,共谱和重谱.但在实际模拟中,为了减少计算量,保证模拟过程在不失合理性的前提下,工程实际中往往采取适当的简化,一般假定忽略互功率谱中包含的相位信息,即假定7(n)=0[2].211 线性滤波器的自回归模型法(AR 法)线性滤波器法是将人工生成的均值视为零,具有白色谱的一系列随机数通过设计好的过滤器,使其输出为具有给定谱的随机过程.AR 法即p 阶自回归过滤器法可用如下方程表示u p (t)=E p k=1<k u(t -k $t)+R N N(t)(4)式中:$t 为时间步长;N (t)均值为0、方差为1的正态分布随机数;<k 为自回归参数,由式(5)确定R up (j $t)=E p k=1R up [(j -k ]$t]<k ,j =1,2,,p (5)88 暨南大学学报(自然科学版)2005年式中R up (j $t)=Q ]0S u(n)cos (2P nj $t)d n (6)由式(5)求解得到自回归参数<k ,然后由下式得到R 2N :R 2N =R up (0)-E p k=1<k R up (k $t)(7)这里R up (S )为自相关函数.这样就得到了所有的自回归参数,就能够产生N 个节点的互不相关的正态分布的随机时间序列了.确定了向量u p (t )后,通过如下的相关矩阵将这N 个互不相关的随机过程转化为N 个具有给定相关特性的随机过程v p (t).v p (t)=E N i=1C ji u p i (t)(8)式中系数矩阵[C ]n @n 为由互相关矩阵[R ]n @n 通过LDLT 分解得到的下三角阵,其中互相关矩阵中元素为:R i j =Q ]0S i j (i,j ,n)d n;S i j(i,j ,n)为点i 和j 的脉动风速的互功率谱.AR 法利用前数个时刻的脉动量来线性回归产生下一时刻的脉动量,因此考虑了一定的时间相关性,其计算效率远远高于谐波合成法[3],对于高层建筑结构和大跨空间屋盖结构,由于其自由度较多,3向尺寸较为接近,风流经时往往表现出显著的时间和空间相关性,对于这类结构采用AR 法较为合适[4,5].对于所模拟的风速时程的合理性往往从衡量脉动风的几个重要参数出发,将模拟得到的风速时间序列回归得到模拟功率谱(相关函数),并与目标功率谱(目标相关函数)相比较,验证其是否能够满足模拟要求,与文献[6]指出利用功率谱和相关函数来评价模拟效果的意义是一致的.图1 所模拟空间点坐标分布3 算例分析本文用AR 法模拟了如图1所示4个空间节点的时程风速,模拟参数如下:场地类型为B 类,粗糙度系数K=01015,平均风速取为 v 10=25m/s,回归阶数p =14,采样时间间隔为$t =015s,模拟总时间为500s.A 、C 两点的模拟脉动风速时程曲线如图2、图3所示,通过回归给出了A 、C 两点的自相关函数和目标相关函数的关系(图4、图5),可以看到模拟相关函数和目标相关函数十分吻合,表明模拟的合理性.89第1期边建烽等: 大跨空间结构风速时程的数值模拟理论参数讨论:(1)时间间隔$t 的选择.通过算例发现,模拟时间间隔即采样频率对模拟结果会产生显著的影响,时间间隔过小,往往会导致模拟精度大大减小,甚至结果失真;而时间间隔过大时会捕捉不到目标谱中所含的高频信息,可能对结构产生不利影响,因此,必须根据目标谱的能量和频率的分布关系恰当地选择时间间隔,通过模拟实践发现,本文认为时间间隔一般在015s 左右较为合适.(2)回归阶数p .该参数的选择对模拟结果与目标相关函数的一致性具有很大的影响,过低的阶数会导致模拟的相关性过低,偏于不安全,回归阶数往往需要根据时间间隔在相当大的一个范围内不断调整,一般需在4阶以上才能得到合理的模拟结果.对脉动风速场的模拟首先要根据场地、结构特点等选择合适的脉动风速功率谱和空间时间相关函数,然后根据结构类型、场地条件、精度要求等选择合适的模拟理论.对于大跨度空间屋盖等需要模拟大量节点时程风速的结构,采用谐波叠加法往往效率太低,计算要求太高,而采用对内存要求低、计算速度快的线性回归滤波器法,则有时会遇到算法的稳定性问题.总之,与实际风荷载记录相比,运用上述方法模拟的风荷载可以按照当地的气候条件、频谱特性及建筑物的特点等条件任意产生,并且可以考虑脉动风的空间相关性,因而更适合作为结构风振时程分析的输入.[参考文献][1] 黄本才.结构抗风分析原理及应用[M].上海:同济大学出版社,2001.[2] 埃米尔#西缪,罗博特#H #斯坎伦.风对结构的作用[M].刘尚培等译.上海:同济大学出版社,1992.[3] 曾宪武,韩大建.大跨度桥梁风场模拟方法对比研究[J].地震工程与工程振动,2001,24(1):135-140.[4] 刘学利,王肇民.高耸结构空间相关风场的模拟研究[J].四川建筑,2000,20(4):45-47.[5] 李元齐,董石麟.大跨度空间结构风荷载模拟技术研究及程序编制[J].空间结构,2001,7(3):3-25.[6] C.查特菲尔德.时间序列分析导论[M].方再根译.北京:宇航出版社,1986.[责任编辑:王蔚良,黄建军]90 暨南大学学报(自然科学版)2005年。
风速时程的分形特征研究
风速时程的分形特征研究风是一种重要的气象要素，对我们的生活和社会经济具有重要影响。
因此，研究风速时程的分形特征对于了解风的变化规律以及风能的开发利用具有重要意义。
本文将探讨风速时程的分形特征研究。
首先，我们需要了解分形特征。
分形是一种几何形态的特性，具有自相似性和尺度不变性。
在自然界的很多系统中，都存在分形特征。
例如，树枝、山脉、河流等都具有分形结构。
分形特征的研究可以帮助我们理解和描述这些复杂的系统。
风速时程的分形维数研究主要是通过分析风速数据的变化规律来确定风速时程的分形维数。
分形维数是描述分形结构复杂程度的一个参数，可以用来评估系统的不规则程度。
通过计算风速时程的分形维数，可以揭示风速时程的复杂性和非线性特征。
分形维数的计算可以使用常见的分形计算方法，如盒计数法和哈斯托尔分形维数法等。
通过分析分形维数与其他气象要素的关系，可以对风速时程的形成机制进行深入研究。
风速时程的分形特征与风能预测的关系研究是另一个重要的研究方向。
风能资源的评估和风能预测是风电开发的重要环节，对于风电场的规划和运行具有关键意义。
风速时程的分形特征可以用来改进风能预测模型，并提高预测的准确性。
研究人员通过对风速时程的分形特征进行分析，发现分形特征与风能的区域分布和时空变化有一定的关系。
因此，可以通过建立基于分形特征的风能预测模型来改进风能预测的精度。
风速时程的分形特征研究在工程应用方面具有重要意义。
通过对风速时程的分形特征进行分析，可以了解风速的变化规律，为风电场的设计和运行提供科学依据。
此外，还可以提高风能预测模型的准确性，为风电场的经济运行提供支持。
同时，风速时程的分形特征研究还可以为其他领域的复杂系统研究提供借鉴和启示。
总之，风速时程的分形特征研究对于了解风的变化规律、改进风能预测模型以及风电场的设计和运行具有重要意义。
通过分析风速时程的分形维数和分形特征与其他气象要素的关系，可以揭示出风速时程的复杂性和非线性特征。
基于Matlab的大型兆瓦级风电机脉动风速时程数值模拟
第 ４期
曹玉 生等
基于 Ｍ ａ ｔ ｌ ａ ｂ的大型兆瓦级风电机 脉动风 速时程数值模拟
２ ７９
作 用在 结构 上 的 自然风 可分 为顺 风 向风 力 、 横 风 向风力 和 垂直 向风 力 ， 而在 三 者 中顺 风 向风 力 又起 了决
定性作用 ， 垂直 向与横风 向风力对于高耸结构实际影响可忽略不计。对顺风向风力 ， 其可分解为周期在 １ ０ ｍ ｉ ｎ以上 的长周 期 部分 ， 即平 均 风 ； 还 有周 期在 几秒 至几 十 秒 区间 内的短周 期 部分 ， 即脉 动风 。在 进行
型风 电机得 到 了大规 模 的应 用 。 因此 ， 在 内陆 地 区普 及 大 型 兆 瓦 级 风 电 机组 是 风 能发 展 的必 然 趋 势 。 由于对大 型风 电机组 进行 实地 的数 据测 量及 周边环 境 分析工 作 的开展 是 极其 困难 的 ， 另外 ， 已有 强风 作
基于数值模拟和统计分析及智能优化的风速预报系统
Ｐｒ ｇ ａ ｆＷ ｉ ｄ ｐｅ ｄ Ｐｒ ｄｉｔｏ ｓ ｄ ｏ ｏ ｒ ｍ ｏ ｎ Ｓ ｅ ｅ ｃｉ ｎ Ｂａ ｅ ｎ Ｎｕｍ ｅ ｉ ａ ｍ ｕｌｔｏ ｔ ｒｃ ｌＳｉ ａ ｉ ｎ ｗｉｈ Ｉ ｅｌｇ ｎ ｎｔ ｌ ｅ ｔＯｐｔｍ ｉａ ｉ ｎＡｌ ｏ ｉｈ ｉ ｉ ｚ ｔｏ ｇ ｒｔ ｍ
关 键 词 数 值 模 拟
统计分析
智 能优 化
风 速 预 报
文章编号
１０ — ５ ５（ ０ ２ ５０ ４ — ３ ０ ６ ９ ８ ２ １ ）０ — ６ ６ １
中图分类号
Ｐ ５． ４７ ５
文献标识码
Ａ
ｄ ｉ ０３ ７ ￣ｉ ｎ１０ —５ ５２ １ ． ０ ８ ｏ： ．８ ８ ．ｓ ． ６９ ８ ． ２１ ８ １ ｓ ０ ０ ２
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风速时程数值模拟研究
摘要程数值仿真技术是当今研究领域中非常流行的一种数值计
算方法，用于研究复杂物理和化学现象。
本文通过分析风速时程数值仿真技术在气象学、航空航天领域的应用，讨论了风速时程数值模拟研究的优点和不足。
通过本文的研究，我们了解到，风速时程数值模拟被广泛应用于气象学和航空航天领域，该技术可以提供准确的气象数据和航空器性能参数。
但是，由于时间和计算资源的限制，时程数值模拟的精度还不够理想。
另外，在风速时程数值模拟的研究中，由于经验参数存在误差，影响了最终模拟结果的准确性。
本文指出，未来研究需要更多的实验测试和计算机模拟，以实现更高精度的风速时程数值模拟，以确保数值模拟结果的准确性。
关键词：风速时程数值模拟；气象学；航空航天
1.言
风速时程数值仿真技术是当今研究领域中非常流行的一种数值
计算方法，用于研究复杂物理和化学现象。
时程数值模拟的特点在于：通过多种表达式描述动力学系统，以最佳方式估计变量的变化趋势；从数据库参数推导对实际情况的还原，计算速度快；计算过程中涉及大量的统计数据，可以确保计算结果的准确性；模型参数可以按照用户的要求进行调节，可以实现模型的改进，也可以满足个性化的特殊需求。
随着科学技术的发展，时程数值模拟技术在气象学、航空航天、水利工程、环境科学等领域的应用越来越广泛。
本文针对风速时程数
值技术在气象学和航空航天领域的应用，开展一项研究，以了解其优点和不足。
2.速时程数值模拟在气象学领域的应用
时程数值模拟技术在气象学领域的应用主要集中在对大气环境
的预报和研究，包括气候环境、气象以及与大气环境有关的地球系统等。
本文针对风速时程数值模拟在气象学领域的应用，主要讨论以下两个方面：一是气象领域大气数值模拟技术的应用；二是地质学提出的气象学变量--风速，在时程数值模拟中的研究。
（1）大气数值模拟技术的应用
大气数值模拟技术是气象学预报的重要手段，它是基于数学模型描述大气的结构、流动、边界层以及大气的物理特性，运用数值模拟方法建立计算模型，并利用这一模型分析大气现象。
典型的数值模拟技术包括气候模型、气象模型、边界层模型、起伏层模式、地形调整模型等。
它们可以模拟大气环境的各个方面，如尘埃、湿度、温度、偏移、垂直扩散、湿度、气压场等，并从中发现大气环境变化的规律，进行预报研究。
（2）风速在时程数值模拟中的应用
风速的模拟是气象学的一个重要研究领域，在大气环境中，风速是物质物理过程和大气现象的重要影响因素。
时程数值模拟技术可以模拟出实际环境中风速的变化趋势，因此它在气象学领域有广泛的应用。
在风速时程数值模拟研究中，常用数据包括风向、风速及其分量，
以及气象基本参数和大气结构参数。
通过分析风速变化规律，可以检测出大气环境中的变化，为气象预报提供参考。
此外，在复杂的高空气流环境中，精确的风速变化模拟可以为航空航天领域提供实用的数据。
3.速时程数值模拟在航空航天领域的应用
航空航天领域也广泛应用时程数值模拟技术，用于研究飞行器的性能参数和设计参数。
通常，在航空航天领域的时程数值模拟研究可以分为两个主要方面：
（1）飞行性能模拟
通过时程数值模拟技术，可以研究飞行器的飞行性能参数，如最大速度、加速度、操纵的精度等。
这些参数对于飞行器的飞行安全来说至关重要，因此大量的实验测试和模拟计算都是必不可少的。
（2）设计参数模拟
通过时程数值模拟，可以模拟飞行器的设计参数，包括机身形状、机翼参数以及翼型结构等，这些参数对于飞行器的飞行特性有着重要影响，因此也进行了大量的研究。
4.优点和不足
基于以上分析，时程数值模拟在气象学和航空航天领域的应用具有一定的优势：
（1）具有较高的计算精度
时程数值模拟技术建立在数学模型的基础上，涉及大量的统计数据处理，从而可以实现较高的计算精度。
（2）计算速度快
时程数值模拟研究基于计算机技术，计算速度快，可以在短时间内完成大量的数据处理和模拟任务，并产生精准的模拟结果。