山区强风特性观测及风洞试验模拟研究

论文摘要

随着我国西部大开发战略的实施,山区桥梁和大型结构建设项目日益增多,山区风特性的研究成为结构风工程研究新的热点。然而山区地形不同于平坦地貌各向同性风场条件,山区的复杂地形将会显著改变近地层流动风的风速垂直分布和湍流结构,从而形成山区地形特殊的峡谷风、越山风及遮挡效应。国内在这方面的研究尚少,工程师们很难预测此类地形下结构的风致响应问题,因此,系统开展山区复杂地形风场特性研究具有十分重要的意义。本文针对风工程研究中比较薄弱的山区风特性问题,结合国家自然科学基金委“内陆强风及其作用的现场实测与模拟”项目,采用风特性现场实测与风洞试验相结合的手段,系统地研究了山区风特性参数：风速剖面、湍流度、湍流积分尺度、风速功率谱等及其变化规律。主要开展了以下两个方面的工作：(1)通过对新疆2个典型复杂风区一个完整年的风观测数据采集,利用实测数据统计得到了风特性参数及其分布规律：①受地形的影响,风速剖面α指数比现用规范值较小且具有方向性,局部风向下风速剖面不满足指数律模型；②湍流强度小于一般气象强风条件下的值,受地形的影响,湍流强度分布较为复杂。(2)开展了地形模型风洞试验,通过实测数据与试验结果对比分析,验证了风洞试验方法对此类地形模拟的正确性,进一步判别了地表粗糙度类别,总结了此类地形下风特性的变化规律,为以后山区风特性的研究提供了参考资料。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 第一章 绪论
• 1.1 风工程简述
• 1.2 风工程研究的主要内容和方法
• 1.2.1 风工程研究的主要内容
• 1.2.2 风工程研究的主要方法
• 1.3 山区风环境研究现状
• 1.4 本文的研究内容
• 第二章 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
• 2.3 K-理论和风速剖面
• 2.3.1 近地层的概念
• 2.3.2 对数律风速剖面
• 2.3.3 指数律风速剖面
• 2.4 Monin-Obukhov相似理论
• 2.5 近地层湍流的统计理论
• 2.6 山区风特性问题
• 2.7 本章小结
• 第三章 山区风特性观测分析
• 3.1 风观测项目概况
• 3.1.1 风观测塔的选取
• 3.1.2 测量仪器和设备
• 3.1.3 实测方案及实施
• 3.2 风观测的内容
• 3.3 风特性分析方法
• 3.3.1 平均风特性
• 3.3.2 脉动风特性
• 3.4 风观测数据统计结果
• 3.4.1 平均风速、风向与风速最大值
• 3.4.2 风速剖面α指数拟合
• 3.4.3 湍流强度和阵风因子
• 3.5 本章小结
• 第四章 地形模型风洞试验研究
• 4.1 地形模型
• 4.1.1 测风塔位置附近地形描述
• 4.1.2 实验设备和测量仪器
• 4.1.3 地形模型设计
• 4.2 实验工况及测点布置
• 4.3 实验结果数据分析
• 4.3.1 风速剖面
• 4.3.2 湍流强度
• 4.3.3 湍流积分尺度
• 4.3.4 湍流功率谱密度函数
• 4.4 试验结果与实测数据对比分析
• 4.4.1 风速剖面对比
• 4.4.2 湍流强度对比
• 4.5 本章小结
• 结论与展望
• 主要结论
• 进一步研究展望
• 参考文献
• 致谢