基于实测风特性的台风模拟研究
基于实测风特性的台风模拟研究
杨素珍
【期刊名称】《《沈阳理工大学学报》》
【年(卷),期】2019(038)005
【总页数】6页(P89-94)
注册公司需要什么条件【关键词】怎样设置虚拟内存台风模拟; 实测风特性; 谐波合成法; 功率谱
【作 者】杨素珍
【作者单位】麦克风没有声音怎么办漳州职业技术学院 机械工程学院 福建 漳州363000
【正文语种】中 文
【中图分类】P458.1+24
台风往往给人类的生产和生活环境带来巨大破坏[1]，造成大量的经济损失和人员伤亡，通过对人们活动环境内重要目标，如建筑、桥梁、塔架和电线杆等，进行台风风载荷作用测试，研究物体风致破坏的机理，从而出减小台风破坏的措施。常规基于风洞试验和现场实测的风载荷作用检验手段成本高、耗时长；通过模拟台风的方法仿真实施目标风载荷作用[2-3]，可以较好的解决上述问题。因此研究台风模拟手段意义重大，引起国内外学者的广泛关注[4-9]。
风的变化过程可以近似为一种平稳随机过程，一般可将其分解为稳态平均风和动态脉动风。平均风的风速值和风向不随时间变化；脉动风则随时间无规律地改变其风速和风向。脉动风动力成分是强(台)风的重要组成[5]，集中反映其随机特性，该特性可以用紊流强度和功率谱密度函数等来描述。文献[4]借助不同坡度三维山体模型风洞试验，研究了山体各位置脉动风速谱的变化规律。文献[5]利用台风“罗莎”实测数据，研究其高空风参数特性，结合Kolmogrove理论，提出水平方向和垂直方向脉动风功率谱密度函数。上述基于实际风速的方法成本高、耗时长。文献[6] 基于谐波合成法进行海上风机的脉动风速度时程模拟，考虑了过程顺风方向和垂直方向计算点的二维相干性。文献[7]基于标准达文普(Davenport)模拟脉动风的风速和风压时程曲线，并将模拟风谱应用于巨型框架的减振结构设计。文献[
8]提出一种结合谐波合成法和本征正交分解的脉动风场数值模拟方法，来解决计算机内存超限问题。文献[9]采用线性滤波法模拟脉动风速，生成作用于上海中心大厦结构上的脉动风载荷时程，为该大厦的风结构设计奠定基础。上述基于脉动风风速时程模拟方法所用的谱密度函数是通过大量实测数据的统计分析所获得的经验式，但在表示特定地区风时，由于各地区风移动环境存在较大差异，经验式不能完整反映该地区的实际风特性。
为此，本文提出一种基于特定地区实际风采集数据的风模拟方法，该方法利用实测台风风速数据和最小二乘法对标准Davenport功率谱密度函数进行修正，再基于一类改进型谐波合成法进行风模拟，在较完整反映特定地区风特性的同时，保证模拟的快速性和精确性。本文首先分析福建某地区实测台风特性，然后详细阐述修正Davenport模型数学建模和基于改进型谐波合成法的多点脉动风模拟算法，最后给出实验情况。
1 特定地区实测风特性分析
为了获取特定地区实际台风的特性信息，通过专用风采集装置采集特定高度实际风速样本，以台风“杜鹃”为例，采集点为福建某城市，取得实际风速样本10000个，采样频率为0.1s，时间总长度为1000s，其反映能量随频率分布的频域峰值谱、功率谱分别如图1和图
2所示。由图1可以看出，台风“杜鹃”的风能主要集中在0～3Hz的范围内，超过该范围基本没有风能的分布，实际风幅值的集中范围情况与标准Davenport十分相似。
图1 实测风频域幅值谱(截止频率4Hz)
桃花源记翻译图1对比结果表明，通过采集装置采集到的风速数据是真实可信的。
图2 实测风频域功率谱吴刚老婆
从图2的功率谱上看，二者明显偏离过大，吻合度不够，可见，如果采用标准Davenport进行风模拟，无法完全体现采集所在地区风的特点，需要结合实测风对标准Davenport进行修正，才能更好地反映该地区风的真实特性。
2 实测风修正Davenport模型建模
平稳随机过程可通过自功率谱密度函数来表征其能量在不同频率上的分布，风模拟的关键就是选取能够反映风时程数值特征的风功率谱密度函数。基于Kolmogrov瑞流理论，风工程领域学者通过对自然风的大量观测和实测数据统计，已建立了许多满足瑞流模型的风功
率谱密度函数，常用的有Kaimal谱、Simitu谱、ESDU谱和Davenport谱。由于观测地区和数据统计方式的不一致性，不同谱密度函数所模拟的风场频率结构各有差异，一般无法与特定地区的实际风特性完全匹配。
瑞流风速主要包括水平、纵向和竖向三个方向风速，其中水平方向产生的风压对结构的作用最直接，破坏性也最强，目前包括美国、德国、加拿大和中国在内的大多数国家的风载荷规范中，普遍采用水平脉动风谱Davenport谱[10]，该谱不随高度变化，频谱中高频谐波分量明显，参数配置简单，方便进行工程应用。Davenport谱的水平顺向风模型为
(1)
式中：x=1200f/U10；f为频率(Hz)；U10为10m高度处的平均风速；k为地面粗糙度系数(VonKaman常数)。
为使Davenport模型能够更真实反映特定地区的实际风特性，本文提出一种修正Davenport模型，利用特定地区实测数据确定该表达式的待定系数，让修正模型中包含特定地区的客观变化和行为信息。定义修正Davenport模型的表达式为
(2)
式中P1、P2、P3、P4为待定系数。
对风场的实测风速序列样本进行傅里叶变换，获取频域幅值谱，则风速功率谱模型为该幅值谱平方的均值与风速样本持续时间的比值，表达式为
(3)
式中：F(f)为频域幅值谱，E(·)表示均值，T为风速样本持续的时间。
文中利用实测台风“杜鹃”风速数据，求取风速功率谱，得到求解修正Davenport模型系数所需的频率值和功率值样本，然后基于一类非线性最小二乘法拟合求解得到修正Davenport模型中的待定系数。
定义待定系数初值为P0=[P10，P20，P30，P40]，将该初值代入式(2)得到ψ0，则待定系统的求解步骤如下。
(1)对函数(2)在P0点进行泰勒级数展开，并忽略高阶项目，得到近似一阶表达式
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(4)
式中： ϑi=Pi-Pi0，i=1,2,3,4，j=1,2,…,n表示用于最小二乘法拟合数据点个数序号；ψj0为序号j数据点初值函数值。
(2)建立带求解系数非线性函数的近似线性关系表达式
(5)
式中：
(3)确定求解bi的最小二乘求解准则为：使n个数据点(xj,yj)与非线性函数y距离ηj的平方和最小，即求取bi使得

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