沿海和山区强风特性的观测分析与风洞模拟研究

论文摘要

针对我国沿海和山区强风，通过风观测及风洞模拟研究分析平均和脉动风速的统计特性，建议更适合我国风工程应用需要的强(台)风特性参数模型及山区结构抗风设计风速的确定方法，并研究边界层风特性风洞模拟的改进技术。 从风工程应用背景出发阐明近地层和中性边界层等关键概念，提出“强风原则”在风工程研究中的重要性，分析风观测中应当注意的关键技术和误差因素，分析基本风速的关键内涵及其与海拔高度和局部地形的关系。选择气象和梯度风观测数据中的强风样本分析风工程应用需要的风速剖面特性，利用超声风速仪在东南沿海和内陆山区观测强风脉动风速数据，分析湍流度、阵风因子、湍流积分尺度、脉动风速功率谱和空间相关特性。通过山区地形模型和尖劈粗糙元风洞试验，研究山区局部地形效应和大气边界层风特性的主、被动模拟技术。 风速剖面观测分析表明沿海地区的剖面模型中的指数α具有方向性且比现用规范推荐值小，参考高度应尽可能大，以降低风速推算误差，偏大的剖面指数对于选用10m高度基本风速计算的风荷载将偏保守；山区基本风速与海拔高度成非常小的比例关系，比例系数可以通过地区标准气象站基本风速拟合确定，对于山区地表附近的结构而言，设计风速等于地区基本风速乘以局部地形修正系数，局部地形修正系数主要通过模型试验确定；对于山区深切峡谷等复杂地形的风剖面受地形干扰，指数律模型不再适用。 山区地形对设计风速的影响主要包括峡谷风、越山风和遮挡效应三类，由于受峡谷两侧地形边界层影响，峡谷喉口处的穿谷风系数与高度有关，在峡谷内部穿谷风系数小于1，高度接近于两侧山顶高度时风速增大，穿谷风系数才大于1；越山风在山顶附近平均风速增大，但在尾流区内平均风速略减小；遮挡效应使平均风速大幅降低；同时深切峡谷内局部突起使得风速在小空间范围内加速和强扰动。 强风的湍流实测数据分析显示台风、良态气候条件下强风和山区深切峡谷的强风特性不同，与现用规范相比台风和山区深切峡谷的湍流度明显大，而良态气候或者远离台风中心的强风脉动则略小；实测脉动风速的功率谱密度函数峰值点向高频段偏移，而且脉动强度大的台风和山区风谱偏移更多；台风的积分尺度与规范推荐值接近，湍流度小的良态气候或者远离台风中心的强风尺度更大，而受局部地形影响严重的山区深切峡谷风的积分尺度更小；因此，结构抗风设计规范中有必要将台风和

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 第1章 绪论
• 1.1 风工程简述
• 1.2 风特性问题研究
• 1.3 论文的组织
• 第2章 风特性研究的理论基础
• 2.1 大气边界层研究的回顾
• 2.2 湍流边界层基础理论
• 2.2.1 控制方程
• 2.2.2 基本假设和量级分析
• 2.2.3 湍流和Reynolds平均方程
• 2.2.4 热的湍流输运
• 2.2.5 近地层的概念
• 2.3 k-理论和风速剖面
• 2.3.1 中性条件近地层的剖面和通量
• 2.3.2 非中性近地层的风速剖面
• 2.4 Monin-Obukhov相似理论
• 2.5 近地层湍流的统计理论
• 2.5.1 湍流的图像
• 2.5.2 统计物理方法
• 2.6 山区风特性理论框架
• 2.6.1 山区风特性问题
• 2.6.2 理论框架
• 2.7 本章小结
• 第3章 风特性观测和分析技术
• 3.1 风观测的基础知识
• 3.1.1 风观测台站建设
• 3.1.2 风观测仪器
• 3.1.3 风观测的两个基础性问题
• 3.2 风观测的设置
• 3.2.1 平均风速观测
• 3.2.2 脉动风速观测
• 3.3 风观测的数据处理
• 3.3.1 强风原则
• 3.3.2 平均风特性
• 3.3.3 脉动风特性
• 3.4 本章小结
• 第4章 近地层风特性的风洞模拟技术
• 4.1 风洞模拟的任务
• 4.1.1 风速剖面模拟
• 4.1.2 湍流度剖面
• 4.1.3 功率谱、积分尺度和空间相关性
• 4.2 边界层风洞模拟技术
• 4.2.1 被动模拟技术
• 4.2.2 主动模拟技术
• 4.3 复杂地形风场的风洞模拟
• 4.3.1 山区风环境
• 4.3.2 城市地貌风环境
• 4.4 本章小结
• 第5章 沿海强风特性观测与分析
• 5.1 实测风速数据简介
• 5.1.1 浙江海盐梯度风观测数据
• 5.1.2 沿海台风的湍流实测数据
• 5.1.3 苏通大桥桥位风的湍流观测数据
• 5.2 风速剖面观测分析
• 5.2.1 风速剖面模型的误差分析
• 5.2.2 浙江海盐风速剖面
• 5.3 台风的湍流实测分析
• 5.3.1 湍流度和阵风因子
• 5.3.2 湍流度积分尺度
• 5.3.3 脉动风速功率谱密度
• 5.4 苏通大桥桥位强风特性观测分析
• 5.4.1 湍流度和阵风因子
• 5.4.2 湍流度积分尺度
• 5.4.3 脉动风速功率谱密度
• 5.4.4 空间相关性观测分析
• 5.5 本章小结
• 第6章 山区风特性的模拟和实测研究
• 6.1 山区的基本风速推算问题
• 6.1.1 基本风速的概念
• 6.1.2 基本风速和海拔的关系
• 6.1.3 异常气象台站分析
• 6.1.4 工程实例：四渡河峡谷大桥所在地区的基本风速推算
• 6.1.5 山区结构抗风设计风速推算方法
• 6.2 局部地形对风特性的影响
• 6.2.1 山顶附近越山风加速修正
• 6.2.2 局部地形影响模型风洞试验
• 6.2.3 试验结果分析
• 6.3 山区深切峡谷桥位风观测分析
• 6.3.1 观测方案
• 6.3.2 风速风向分析
• 6.3.3 湍流统计特性参数
• 6.3.4 湍流的谱特性
• 6.4 本章小结
• 第7章 大气边界层的风洞模拟试验研究
• 7.1 三角形尖劈和粗糙元模拟试验
• 7.1.1 试验装置
• 7.1.2 试验模拟结果及评价
• 7.2 改进的尖劈粗糙元模拟试验
• 7.2.1 异型尖劈设计依据
• 7.2.2 TJ-2风洞的异型尖劈模拟试验
• 7.3 可控振动尖劈技术研究
• 7.3.1 可控振动尖劈系统设计
• 7.3.2 运动波形控制
• 7.3.3 初步风洞试验及其结果分析
• 7.4 本章小结
• 第8章 抗风设计规范比较和风特性确定方法建议
• 8.1 国外抗风设计规范比较
• 8.2 我国桥梁抗风设计规范内容和问题
• 8.3 我国强风特性确定方法建议
• 8.4 仍存在的问题和思考
• 8.5 本章小结
• 第9章 结论与展望
• 9.1 沿海地区强（台）风特性的修正
• 9.2 山区强风特性的确定方法
• 9.3 边界层风洞主动模拟技术
• 9.4 后续研究展望
• 致谢
• 参考文献
• 个人简历 在读期间发表的学术论文与研究成果