土木工程相關(guān)的臺風近地風場實測研究

徐 安,傅繼陽,趙若紅,吳玖榮

(1.溫州大學建筑與土木工程學院,浙江溫州325000；2.廣州大學與淡江大學工程結(jié)構(gòu)災害與控制聯(lián)合研究中心,廣東廣州510006)

0 引 言

風荷載是作用于建筑結(jié)構(gòu)的一種典型的動力荷載,其對建筑結(jié)構(gòu)物的作用效果是由風特性決定的。與建筑結(jié)構(gòu)風荷載直接相關(guān)的風特性主要有:平均風速風向、湍流強度、峰值因子、湍流積分長度和脈動風速譜等[1]。這些風特性是由大氣運動中動量、熱量、水分等的輸送與平衡以及邊界層的摩擦等因素所決定的[2,3]。不同尺度、不同類型的天氣過程,它的驅(qū)動因素和運動特征是不一樣的[4]。現(xiàn)行的建筑結(jié)構(gòu)抗風設計規(guī)范中關(guān)于風荷載的平均風和脈動風特性大部分是根據(jù)季候風的研究結(jié)果得到的,由于在季候風中,大氣運動中動量、熱量、水分等的運輸與平衡與臺風有顯著的差別,所以季候風特性與臺風的風特性也有顯著的差別[4～6]。臺風的強度一般要遠大于季候風的強度,在臺風影響地區(qū),土木工程結(jié)構(gòu)抗風設計主要是針對臺風作用。因此,為了更好地把握臺風對土木工程結(jié)構(gòu)的作用,為臺風影響地區(qū)土木工程結(jié)構(gòu)的抗風設計提供科學依據(jù),需要專門進行臺風特性的研究。因此對于臺風近地風場的實測研究一方面有助于提升對其特性的認識,為在風洞試驗或CFD模擬中更好地模擬實際臺風風場提供指南,另一方面也可以校驗實測中各種儀器的測試性能,為以后的臺風風場實測研究積累經(jīng)驗,目前國內(nèi)這方面的研究報告還較少。

本文采用兩種不同型號的超聲風速儀詳細觀測了2006年臺風“珍珠”和臺風“派比安”登陸時的風速和風向變化歷程,并分析了臺風過程的10分鐘和1小時平均風速變化歷程、概率密度分布、風向角、風攻角、湍流強度、陣風因子、湍流積分尺度及脈動風速譜,總結(jié)了臺風風場特性,同時對比分析了各種測試儀器的性能,并對脈動風速譜進行了擬合。

1 臺風觀測情況

1.1 臺風“珍珠”

0601號臺風“珍珠”于06年5月18日2時15分在饒平縣和汕頭澄海區(qū)交界地區(qū)登陸,觀測地點位于廣東省饒平縣海山鎮(zhèn)歐邊村的70m梯度風觀測塔,地理坐標位于東經(jīng) 117.002°,北緯 23.551°。臺風登陸時臺風中心直接經(jīng)過觀測點。CSAT3型超聲風速儀安裝在離地面5m高度處,經(jīng)水平校正,儀器探頭朝向正東方向；HD2003型超聲風速儀安裝在離地面10m高度處,由于安裝時風雨太大,儀器白色盒面未能按要求朝向正南方向,而是朝向南偏東20°方向(據(jù)此在進行數(shù)據(jù)處理時已進行了修正)。臺風“珍珠”的有效數(shù)據(jù)記錄時間為:2006年05月17日9:57～2006年05月18日7:40。

1.2 臺風“派比安”

0606號臺風“派比安”于2006年8月3日晚上7:20登陸,觀測地點位于茂名市電白縣電城鎮(zhèn)博賀海洋氣象觀測站,地理坐標:東經(jīng):111.315°,北緯:21.452°。觀測站三面臨海,僅有西北方向與大陸相連。塔的東面視野開闊；塔的南面沒有植被遮擋,地勢平坦。該塔5m和10m高處東西方向分別安裝了三維超聲測風儀和螺旋槳,其中塔身5m處,塔的正東面安裝CSAT3三維超聲測風儀,經(jīng)水平校正,儀器探頭按要求朝向正東方向；正西面則安裝了螺旋槳(螺旋槳的位置比Delta三維超聲測風儀要稍微高點),調(diào)節(jié)水平氣泡居中；塔身10m位置的正東方向上安裝了HD2003型三維超聲測風儀,正西面安裝了螺旋槳(螺旋槳的位置比HD2003型三維超聲測風儀要稍微高點)。按照要求以上四臺儀器的基準面均朝向正南方向。依次將CSAT3型三維超聲風速儀、HD2003型三維超聲風速儀、螺旋槳、1-WIRE型地溫儀和52203型雨量計與TF-1型數(shù)據(jù)采集器連接,然后將數(shù)據(jù)采集器與輸出電壓12V的蓄電池連接,并用較長的數(shù)據(jù)線連接數(shù)據(jù)采集器,數(shù)據(jù)線的另外一端則連接越野車上的工作用手提電腦,檢測儀器是否正常工作。臺風“派比安”的有效數(shù)據(jù)記錄時間為:2006年8月3日11:01～2006年8月4日9:45。

需要說明的是,由于我國《建筑結(jié)構(gòu)荷載規(guī)范》中基本風壓的觀測標準高度為10m,故將HD2003型超聲風速儀安裝在10m高度處。又由于在觀測塔上儀器安裝位置的限制,部分儀器安裝在5m高度處,所觀測到的數(shù)據(jù)可作為參考。

2 數(shù)據(jù)處理方法

對于本文采用的三維超聲風速儀,記錄樣本為三個方向的風速數(shù)據(jù) ux、uy、uz,則水平平均風速U 、風向角α和風攻角φ為:

式中:N為樣本數(shù)。x、y、z坐標及風向角和風攻角如圖1所示。

圖1 坐標系及風向示意圖Fig.1 Frame of axes and wind direction

湍流強度定義為10min時距內(nèi)脈動風速標準差與水平平均風速的比值,反映了風的脈動強度,是描述大氣湍流的參數(shù)。對于縱向脈動風速u(t)、橫向脈動風速v(t)和豎向脈動風速w(t),湍流強度可用下式表示:

風的脈動強度也可用陣風因子G來表示,陣風因子一般定義為陣風持續(xù)期tg內(nèi)的平均風速最大值與10分鐘時距的水平平均風速U之比,本文中tg取為3s。

3 觀測數(shù)據(jù)分析

3.1 不同儀器觀測的風速極值

由于采樣頻率的差別,兩種儀器觀測的瞬時脈動風壓變化歷程有一定差異。實際上,兩臺儀器測得的最大風速指標相差很大,如表1所示。由于采樣頻率較高的儀器能夠獲得更為完整和精確風速變化信息,因此本文中平均風速、湍流強度和脈動風速譜等分析中均采用CSAT2003的采樣數(shù)據(jù)。

表1 兩種儀器測得的臺風“珍珠”極值風速比較Table1 Peak wind speed observed by two kind of instruments during typhoon Chanchu

3.2 平均風速變化歷程

圖2顯示了兩次臺風過程的1小時平均風速變化歷程。由圖可見,臺風登陸過程中,平均風速有一個明顯的先增大后減小的過程。臺風“派比安”的觀測站正好位于臺風眼,因此在觀測過程中,出現(xiàn)了一段風速特別小的時間,隨著臺風中心的遷移,觀測站逐漸進入眼壁和螺旋雨帶部分,風速急劇增大。隨著臺風中心逐漸遠離觀測站,風速漸漸變小。臺風中心經(jīng)過觀測站時,風向會發(fā)生180°的變化。

3.3 風向角與風攻角變化歷程

臺風“珍珠”和“派比安”10min平均風向角與風攻角的變化歷程分別如圖3和圖4所示。由圖可知,當臺風經(jīng)過觀測站時,風向發(fā)生了180°的轉(zhuǎn)向,由于臺風內(nèi)部結(jié)構(gòu)豎向上存在著對流現(xiàn)象,所以臺風經(jīng)過觀測站時,風攻角的變化尤為劇烈,風攻角的變化在橋梁和大跨屋蓋的結(jié)構(gòu)抗風設計中有著很大的影響,但目前的風洞試驗模擬仍以水平流場為主,如何真實模擬臺風風場風攻角的變化仍有待研究。

3.4 脈動風速的概率分布

對臺風“珍珠”和“派比安”的觀測數(shù)據(jù)按10min時距分段研究結(jié)果表明,臺風過程的高風速和低風速情況下的脈動風概率密度分布有所差異,由于篇幅所限,本文僅列出臺風“珍珠”過程中,10m觀測高度處相對高風速和相對低風速的兩個時段進行說明,如圖5所示。將實測風速的均值和標準差作為參數(shù),繪制正態(tài)分布的概率密度函數(shù),比較可知,在10min平均風速為18.31m/s時,概率分布接近正態(tài)分布；而在10min平均風速為32.34m/s時,其概率分布規(guī)律與正態(tài)分布相差較大,主要表現(xiàn)在脈動風速在平均風速附近出現(xiàn)的概率明顯較大。在結(jié)構(gòu)風工程的研究中,通常假定脈動風是由穩(wěn)定氣流和一系列的旋渦疊加而成[7]。在此假定的基礎(chǔ)上,本文分析認為,脈動風可以看作是穩(wěn)定流場和一系列旋渦疊加的結(jié)果,在絕對風速較大時,風速構(gòu)成以穩(wěn)定流為主,旋渦對于風速的影響較小。

圖2 臺風過程的1小時平均風速變化歷程Fig.2 Hourly mean wind speed during typhoon Chanchu and Prapiroon

圖3 臺風“珍珠”風向變化歷程Fig.3 Wind direction during typhoon Chanchu

圖4 臺風“派比安”風向變化歷程Fig.4 Wind direction during typhoon Prapiroon

通過對概率分布圖形的進一步分析,當峰值因子取3.0時,按式(1)計算得到的峰值風速在臺風“珍珠”和“派比安”過程中實測的10分鐘最大風速超越概率相應Upeak的概率不大于2%,因此認為,采用式(8)通過平均風速計算最大風速是可行的。

3.5 湍流強度與陣風因子

臺風“珍珠”和“派比安”湍流強度的變化歷程以及與10分鐘平均風速的關(guān)系分別如圖6和圖7所示。已有的研究表明,湍流強度與陣風因子間有近似的線性關(guān)系,本文對兩次臺風過程分別進行了擬合,臺風“珍珠”和“派比安”的擬合結(jié)果分別如式(9)和(10)所示,對應的實測數(shù)據(jù)與擬合曲線的比較見圖8。

3.6 湍流積分尺度

通過氣流某一點的速度脈動,可以認為是由平均風所輸送的一些理想的渦旋疊加引起的。因此大氣邊界層的湍流渦旋可以看做頻率為n的周期脈動,定義渦旋的波長λ=U/n,其中U為平均風速,這個波長就是渦旋大小的量度,湍流積分尺度是氣流中湍流渦旋平均尺寸的量度。由于直接采用空間相關(guān)函數(shù)計算湍流積分尺度需要進行空間多點的同時測量,這往往難以實現(xiàn),而已有研究表明用自相干函數(shù)積分所得湍流積分尺度計算簡單且結(jié)果穩(wěn)定,本文采用自相關(guān)函數(shù)積分法計算兩個臺風的湍流積分尺度。其結(jié)果如圖9和圖10所示。

圖5 不同風速下脈動風概率密度分布Fig.5 Probability distribution of different fluctuating wind speed

圖6 臺風過程中縱向湍流強度變化歷程Fig.6 Turbulence intensity during typhoon Chanchu and prapiroon

圖7 縱向湍流強度與10min平均風速的關(guān)系Fig.7 Relationship of longitudinal turbulence intensity and 10 min wind speed

圖8 陣風因子與湍流強度的關(guān)系Fig.8 Relationship of gust wind facotor and turbulenceintensity

3.7 脈動風速譜

脈動風速譜能夠清晰展示脈動風能量在頻率域的分布,是表達風場特性的重要指標。脈動風速譜包括順風向、橫風向及豎向脈動風速譜。結(jié)構(gòu)風工程的研究重點通常集中于順風向脈動風速譜。目前常用的順風向脈動風速功率譜有Davenport譜、Kaimal譜和修正Karman譜等。

根據(jù)Kolmogrove理論,頻域內(nèi)縱向脈動風可以用統(tǒng)一形式的功率譜密度S(z,n)來表示:

定義衡量實測譜與經(jīng)驗譜或擬合譜之間吻合程度的指標為:

臺風“珍珠”的實測風速譜與Kaimal譜較為吻合,因此根據(jù)Kaimal譜曲線形式對其進行擬合,如下式所示:

其中,P1,P2,P3,P4是待擬合的參數(shù),取值均大于0,f=,z為實測儀器高度。擬合結(jié)果如圖11和表2所示。

圖9 臺風“珍珠”的湍流積分尺度Fig.9 Turbulence integral length scaleof typhoon Chanchu

圖10 臺風“派比安”Fig.10 Turbulence integral length scale of typhoon Prapiroon

圖11 臺風“珍珠”基于Kaimal譜擬合Fig.11 Wind speed spectrum fitted by Kaimal spectrum of typhoon Chanchu

表2 臺風“珍珠”基于Kaimal譜的參數(shù)擬合結(jié)果Table2 Parameters of fitting results of typhoon Chanchu

而臺風“派比安”的實測風速譜則與Karman譜較為吻合,因此采用karman譜的曲線形式對實測風速譜進行了擬合。擬合公式形式與式(13)相同,f=。為平均風速。擬合結(jié)果如圖12和表3所示。

圖12 臺風“派比安”基于Von Karman譜擬合Fig.12 Wind speed spectrum fitted by Karman spectrum of typhoon Prapiroon

表3 臺風“派比安”基于Von Karman譜的參數(shù)擬合結(jié)果Table3 Parameters of fitting results of typhoon Prapiroon

4 結(jié)束語

采用兩種三維超聲風速儀對臺風“珍珠”與“派比安”進行了現(xiàn)場實測,根據(jù)實測數(shù)據(jù)比較了不同風速儀的記錄結(jié)果。對臺風的風速時程、風向角、風攻角變化進行了分析。討論了其脈動風速的概率分布與峰值因子的取值。計算了兩個臺風的湍流強度和陣風因子,并對其之間的線性關(guān)系進行了擬合,得出以下基本結(jié)論:(1)超聲風速儀的采樣頻率對于極值風速的觀測結(jié)果有較大的影響,采樣頻率高的儀器觀測結(jié)果更為精確。(2)臺風登陸過程中,平均風速存在先增大后減小的過程,特別是當風眼通過觀測站是,其平均風速相對很小。臺風風眼通過觀測站前后,風向發(fā)生180°的轉(zhuǎn)向,其風攻角的變化也很劇烈,風洞試驗中如何模擬風攻角變化有待進一步研究。(3)平均風速較小時,其脈動風速概率分布接近正態(tài)分布,但平均風速較大時,其脈動風速概率分布則與正態(tài)分布相差較大。通過分析還可知,峰值因子取為3.0時,最大風速的超越概率小于2%。(4)陣風因子與湍流強度之間存在線性關(guān)系,本文對其進行了擬合。(5)實測風速譜均可與某種理論譜模型較好吻合,通過擬合,可以進一步降低實測譜與理論譜的偏差。

致謝:廣東省氣象局提供了臺風過程的觀測數(shù)據(jù),在此深表謝意!

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