颮線風(fēng)橫向風(fēng)剖面的工程計(jì)算方法

黨會(huì)學(xué)，張露，楊風(fēng)利，楊靖波，李杰

(1.中國電力科學(xué)研究院，北京市100055;2.西北工業(yè)大學(xué)航空學(xué)院，西安市710072)

颮線風(fēng)橫向風(fēng)剖面的工程計(jì)算方法

黨會(huì)學(xué)1，張露2，楊風(fēng)利1，楊靖波1，李杰2

(1.中國電力科學(xué)研究院，北京市100055;2.西北工業(yè)大學(xué)航空學(xué)院，西安市710072)

雷暴天氣中的下沉氣流在近地面區(qū)域形成了颮線風(fēng)，這是破壞力最強(qiáng)的風(fēng)災(zāi)之一。為方便颮線風(fēng)風(fēng)剖面在工程設(shè)計(jì)中的應(yīng)用，以垂直撞擊水平地面的颮線風(fēng)為例，整理了采用國際量綱的颮線風(fēng)橫向風(fēng)剖面的計(jì)算流程，然后通過計(jì)算流體動(dòng)力學(xué)計(jì)算得到了全尺寸颮線風(fēng)的風(fēng)場(chǎng)，進(jìn)而比較分析并選取了颮線風(fēng)風(fēng)剖面的經(jīng)驗(yàn)公式，得到了工程可用的風(fēng)剖面計(jì)算方法。最后利用選取的風(fēng)剖面經(jīng)驗(yàn)公式計(jì)算得到了不同徑向位置的風(fēng)剖面，并結(jié)合大氣邊界層風(fēng)剖面的分布情況，對(duì)颮線風(fēng)的影響高度及徑向尺度進(jìn)行探討，指出了在颮線風(fēng)的最大風(fēng)速位置附近，其影響高度最高。

颮線風(fēng);橫向風(fēng)剖面;工程計(jì)算方法;國際量綱;經(jīng)驗(yàn)公式

0 引言

颮線風(fēng)為雷暴天氣中急速下沉氣流猛烈撞擊地面后形成的一種強(qiáng)風(fēng)。該強(qiáng)風(fēng)的水平風(fēng)速在近地面區(qū)域內(nèi)隨高度增大而迅速增加，在較小的高度處(20～100 m)即達(dá)到峰值速度(可達(dá)70 m/s)。該風(fēng)速遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于規(guī)范中規(guī)定的百年一遇設(shè)計(jì)風(fēng)速［1-2］，對(duì)在強(qiáng)風(fēng)影響高度范圍內(nèi)的建筑物如輸電鐵塔等具有極強(qiáng)的破壞力。2005年6月14日，颮線風(fēng)引發(fā)了江蘇泗陽500 kV任上5237線一次性串倒10基輸電塔的事故［3］。根據(jù)美國、澳大利亞及南非等國對(duì)輸電塔倒塔事故原因的分析，50%以上與天氣災(zāi)害相關(guān)的輸電塔倒塔事故均是由颮線風(fēng)或者龍卷風(fēng)等強(qiáng)風(fēng)災(zāi)害引起的［4-5］。

近年來，受全球氣候惡化的影響，不僅颮線風(fēng)的出現(xiàn)頻率增高，其災(zāi)難性后果也越發(fā)嚴(yán)重，國內(nèi)外科研人員針對(duì)颮線風(fēng)的風(fēng)場(chǎng)特性持續(xù)開展了大量的研究工作。如Anindya Sengupta等［6］借助于射流試驗(yàn)和數(shù)值模擬方法研究了微型颮線風(fēng)的風(fēng)場(chǎng)特性并提出了徑向最大速度的分布公式等;Brian C.Vermeire等［7］采用冷源模型模擬颮線風(fēng)的流場(chǎng)，并指出了該模型在模擬渦環(huán)引起的非定常流動(dòng)的優(yōu)勢(shì);Jongdae Kim等［8］采用數(shù)值方法模擬了颮線風(fēng)的流場(chǎng)特性并得到了颮線風(fēng)引發(fā)的瞬態(tài)沖擊風(fēng)場(chǎng);M.T.Chay等［9］利用CFD模擬了颮線風(fēng)風(fēng)場(chǎng)并首次在經(jīng)驗(yàn)?zāi)Ｐ椭幸肓薃RMA方法計(jì)算了脈動(dòng)風(fēng)場(chǎng);Chao Li等［10］回顧了颮線風(fēng)穩(wěn)態(tài)風(fēng)場(chǎng)的經(jīng)驗(yàn)?zāi)Ｐ?，并結(jié)合CFD模擬結(jié)果對(duì)這些經(jīng)驗(yàn)?zāi)Ｐ瓦M(jìn)行了改進(jìn);Yan Zhang等［11］采用射流試驗(yàn)和大渦模擬方法分別研究了颮線風(fēng)的穩(wěn)態(tài)風(fēng)場(chǎng)特性和瞬態(tài)風(fēng)場(chǎng)特性，并指出大渦模擬的瞬態(tài)模擬結(jié)果與試驗(yàn)結(jié)果有一定偏差，而且在主渦流過后的區(qū)域內(nèi)，冷源模型的預(yù)測(cè)速度偏高。這些研究工作不僅進(jìn)一步揭示了颮線風(fēng)的流動(dòng)性態(tài)、射流模型和冷源模型對(duì)颮線風(fēng)風(fēng)場(chǎng)模擬方面的優(yōu)點(diǎn)和不足，而且還改進(jìn)了颮線風(fēng)風(fēng)剖面的無量綱經(jīng)驗(yàn)?zāi)Ｐ偷挠?jì)算公式。然而上述研究工作均針對(duì)無量綱風(fēng)剖面開展，且很多研究工作均集中在典型徑向位置的風(fēng)剖面特性研究上，文獻(xiàn)［12-14］等并未給出系統(tǒng)的計(jì)算流程，不便于工程應(yīng)用。為此，本文利用文獻(xiàn)中的經(jīng)驗(yàn)公式，針對(duì)對(duì)輸電塔風(fēng)荷載影響最嚴(yán)重的橫向風(fēng)，整理出使用國際量綱的颮線風(fēng)橫向風(fēng)剖面計(jì)算流程，并基于CFD來模擬全尺寸颮線風(fēng)流場(chǎng)，以選取適合的風(fēng)剖面經(jīng)驗(yàn)公式。最后，根據(jù)工程算法計(jì)算不同徑向位置的風(fēng)剖面，并探討颮線風(fēng)的影響高度和徑向尺度范圍。

1 颮線風(fēng)風(fēng)剖面的計(jì)算方法

對(duì)于輸電線路來說，水平風(fēng)速?zèng)Q定了輸電塔的風(fēng)荷載。在目前已提出的經(jīng)驗(yàn)?zāi)Ｐ椭?，徑向速度的縱向風(fēng)剖面經(jīng)驗(yàn)?zāi)Ｐ桶薘osa M.Osegurea和Bowlesy［12］以及Vicroy［13］提出的穩(wěn)態(tài)颮線風(fēng)模型(簡稱OBV模型)、Graeme S.Wood等［14］提出的水平速度沿縱向的風(fēng)剖面模型、Chao Li等［10］提出的經(jīng)驗(yàn)?zāi)Ｐ偷?。考慮到上述經(jīng)驗(yàn)?zāi)Ｐ途蕾囉诋?dāng)?shù)亟孛孀畲笏俣燃跋嚓P(guān)的高度尺度這2個(gè)參數(shù)，因此需首先確定颮線風(fēng)當(dāng)?shù)亟孛娴淖畲箫L(fēng)速分布函數(shù)。完整的計(jì)算流程如圖1所示，根據(jù)此流程圖，下文詳細(xì)給出風(fēng)剖面的計(jì)算方法。

1.1 最大徑向速度沿徑向的分布函數(shù)

最大徑向速度沿徑向的分布函數(shù)包括了Anindya Sengupta［6］和Chao Li［10］分別提出的模型。給定颮線風(fēng)幾何模型如圖2所示，則Anindya Sengupta［6］根據(jù)PIV擬合結(jié)果得到的表達(dá)式為

式中:r為半徑;D為射流或者颮線風(fēng)的入口直徑; wjet為射流入口處的速度;um為半徑截面的徑向速度分量的最大值。

Chao Li［10］通過求解基于RSM湍流模型的N-S方程，得到了各剖面的徑向速度分布，并根據(jù)CFD結(jié)果擬合出了最大徑向速度分布函數(shù)為

式中:rum=1.007D;其他參數(shù)的意義同上。

1.2 參考高度尺度的分布函數(shù)

參考高度尺度分為2種:(1)um/2的z坐標(biāo)(記為δ)，雖然每個(gè)半徑剖面均具有2個(gè)um/2值，但計(jì)算中的取值均為距離地面較高的z值;(2)最大速度um的z坐標(biāo)(記為zm)。Anindya Sengupta［6］提出的δ表達(dá)式為

式中:D為射流的直徑;r為當(dāng)?shù)匕霃街怠?/p>

Chao Li 等［10］提出的δ表達(dá)式為

式中:X=0.280;rδm=1.473D;η=1.134。

根據(jù)已求得的δ，可以得到zm的表達(dá)式。例如Chao Li［10］提出如下計(jì)算方法:

式中γ=0.261?；谑?3)、(4)和(5)計(jì)算得到的

zm曲線，其變化趨勢(shì)與δ曲線一致。

1.3 徑向速度的風(fēng)剖面

徑向速度的風(fēng)剖面經(jīng)驗(yàn)?zāi)Ｐ桶薕BV模型［12-13］、Wood模型［14］以及Chao Li模型［10］等。其中，OBV模型可表述為

式中:um為當(dāng)?shù)匕霃浇孛娴淖畲笏俣?C1=-0.22; C2=-2.75。Vicroy［15］又將2個(gè)系數(shù)值修正為C1= -0.15，C2=-3.217 5。

式中erf為誤差函數(shù)，Wood推薦的系數(shù)值為A= 1.55，B=1/6，C=0.7。

Chao Li等提出的風(fēng)剖面經(jīng)驗(yàn)?zāi)Ｐ蜑?/p>

式中Chao Li推薦的系數(shù)值為γ=0.261。

2 基于CFD的工程算法選取

為比較工程算法的適用性，本文采用計(jì)算流體動(dòng)力學(xué)(computational fluid dynamics，CFD)方法模擬了對(duì)應(yīng)的颮線風(fēng)流場(chǎng)。其中，控制方程為三維N-S方程

為準(zhǔn)確模擬颮線風(fēng)的非線性流動(dòng)，采用了文獻(xiàn)［6，8，10］推薦的雷諾應(yīng)力模型(Reynolds stress model，RSM)。其控制方程為

針對(duì)上面的尺寸，建立了全尺寸模型來開展研究工作。其中幾何模型示意圖及邊界條件見圖2，網(wǎng)格圖見圖3。

典型颮線風(fēng)的參數(shù)為:D=1 600 m，wjet= 70 m/s，速度入口高度為2 100 m。從計(jì)算結(jié)果中提取最大徑向速度沿徑向的分布，并與公式(1)和公式(2)進(jìn)行比較，其結(jié)果如圖4所示。從圖中可以看出，2個(gè)經(jīng)驗(yàn)公式與全尺寸CFD結(jié)果相比均有一定誤差，但是Chao Li［10］給出的經(jīng)驗(yàn)公式在最大速度值處與CFD結(jié)果吻合相對(duì)較好。

公式(3)和公式(4)給出的高度尺度δ分布與CFD結(jié)果的比較見圖5。可以看出，公式(3)的結(jié)果與CFD結(jié)果吻合較好。

然后將CFD計(jì)算得到的無量綱水平風(fēng)剖面與基于公式(6)、(7)、(8)的風(fēng)剖面進(jìn)行比較，其不同徑向位置的比較結(jié)果見圖6。從圖中可以看出，經(jīng)驗(yàn)公式與CFD結(jié)果的誤差在颮線風(fēng)撞擊到地面并且水平速度不斷增大的區(qū)域內(nèi)相對(duì)較大;當(dāng)颮線風(fēng)充分發(fā)展至最大水平風(fēng)速后，經(jīng)驗(yàn)公式的結(jié)果與CFD結(jié)果誤差逐漸減小。相比于其他2個(gè)經(jīng)驗(yàn)公式而言，公式(7)與CFD結(jié)果吻合較好。

3 基于工程算法的颮線風(fēng)風(fēng)剖面

式中:α為地面粗糙度;zref為參考高度，通常取為10 m;U(zref)為zref處的平均風(fēng)速，在特高壓線路設(shè)計(jì)引入大氣邊界層風(fēng)剖面的計(jì)算公式為中，通常50年一遇的最大平均風(fēng)速在不同區(qū)域可達(dá)27，30和33 m/s。

利用公式(11)計(jì)算了地面不同粗糙度條件下，不同最大平均風(fēng)速對(duì)應(yīng)的大氣邊界層風(fēng)剖面，并進(jìn)行比較，其中U(zref=10m/s)=30 m/s的結(jié)果見圖7。圖中，Gnd_Type(0.12)表示地面粗糙度對(duì)應(yīng)的指數(shù)值α=0.12。圖中其他Gnd_Type值的含義類似。

從圖7中可以看出，在低于最大高度范圍內(nèi)，颮線風(fēng)風(fēng)速明顯高于邊界層風(fēng)速，并且地面粗糙度越大，地表風(fēng)速沿高度增加越快，其風(fēng)剖面與颮線風(fēng)之間的風(fēng)速差也就相對(duì)越小。

然后通過風(fēng)剖面與大氣邊界層風(fēng)剖面的交點(diǎn)，計(jì)算出颮線風(fēng)的影響高度，其中10 m高度時(shí)，最大風(fēng)速分別為27，30和33 m/s條件下的結(jié)果見圖8。從圖中可以看出，不同地面粗糙度條件下的影響高度趨勢(shì)具有良好的一致性;隨著風(fēng)速增大，相同地面粗糙度對(duì)應(yīng)的颮線風(fēng)最大影響高度下降，意味著按較大地面粗糙度設(shè)計(jì)的建筑物，其在颮線風(fēng)作用下的安全性相對(duì)較高。隨著地面粗糙度的增大，10 m高度不同風(fēng)速的最大影響高度徑向位置變化很小(基本出現(xiàn)在R/D=0.9位置附近)。

綜合比較圖4、5和8可知，颮線風(fēng)的風(fēng)速在2.5D范圍內(nèi)快速衰減到可與大氣邊界層風(fēng)速相比擬，也就是其影響高度的徑向范圍基本在2.5D范圍內(nèi)。但在最大風(fēng)速位置附近，其綜合產(chǎn)生的風(fēng)荷載顯著超出基于邊界層風(fēng)的設(shè)計(jì)風(fēng)荷載，這點(diǎn)在設(shè)計(jì)中應(yīng)著重關(guān)注。

4 結(jié)語

針對(duì)颮線風(fēng)的橫向風(fēng)剖面計(jì)算問題，綜合相關(guān)文獻(xiàn)的資料，整理出了颮線風(fēng)橫向風(fēng)剖面的工程計(jì)算方法。其參數(shù)包括了颮線風(fēng)入口參數(shù)、最大速度的徑向分布函數(shù)以及橫向風(fēng)速沿高度的分布函數(shù)。然后采用CFD計(jì)算了全尺寸颮線風(fēng)的流場(chǎng)，進(jìn)而對(duì)風(fēng)剖面進(jìn)行了比較和選取，得到了工程上可用的風(fēng)剖面計(jì)算方法。應(yīng)用該工程算法計(jì)算了颮線風(fēng)的橫向風(fēng)剖面，并與大氣邊界層風(fēng)剖面進(jìn)行比較后，發(fā)現(xiàn)颮線風(fēng)的影響范圍為R/D≤2.5，而且最大影響高度在R/D= 0.9附近達(dá)到最高。同時(shí)，最大風(fēng)速位置出現(xiàn)在最大影響高度附近，兩者綜合作用產(chǎn)生的破壞力最強(qiáng)，破壞高度范圍最大，在設(shè)計(jì)中需著重關(guān)注。

2013，34(5):22-29.

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(編輯:劉文瑩)

［1］屈訟昭.國內(nèi)外輸電塔風(fēng)荷載技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)比較分析［J］.電力建設(shè)，

Engineering Calculation Method for Horizontal Wind Profiles of Downburst

DANG Huixue1，ZHANG Lu2，YANG Fengli1，YANG Jingbo1，LI Jie2
(1.China Electric Power Research Institute，Beijing 100055，China; 2.School of Aeronautics，Northwestern Polytechnical University，Xi’an 710072，China)

Downburst is a kind of strong wind that results from the flow downdraft nearby ground in thunderstorm.In order to make the application of downburst wind profiles convenient in engineering design，taking the vertical dash of downburst on horizontal ground as an example，this paper summarized the calculation process of horizontal wind profiles of downburst with using international dimension，and simulated the true scale wind field of downburst with using CFD，Then，different empirical formulas were compared and selected to obtain the engineering calculation method of wind profile.Finally，downburst wind profiles at different radial position were calculated by the chosen emprical formula，as well as the influencing height and radial scale of downburst were analyzed based on the downburst distribution at atmosphere boundary layer，which has shown that the maximum influencial height of downburst is near the position of its maximum wind speed.

downburst;horizontalwindprofile;engineeringcalculationmethod;internationaldimension; emprical formula

TM 207

A

1000－7229(2014)01－0040－06

10.3969/j.issn.1000－7229.2014.01.008［HT］

國家電網(wǎng)公司科技項(xiàng)目(電網(wǎng)主要災(zāi)害規(guī)律研究及分布圖繪制，輸配電線路抗強(qiáng)風(fēng)關(guān)鍵技術(shù)研究與應(yīng)用)。

2013-07-25

2013-09-17

黨會(huì)學(xué)(1982)，男，博士，工程師，主要從事輸電線路流固耦合力學(xué)方面的研究工作，E-mail:danghuixue@epri.sgcc.com.cn;

張露(1987)，男，博士研究生，主要從事計(jì)算流體力學(xué)方面的研究工作，E-mail:zhanglu@nwpu.edu.cn;

楊風(fēng)利(1980)，男，博士，高級(jí)工程師，主要從事輸電線路力學(xué)及桿塔結(jié)構(gòu)方面的研究工作，E-mail:yangfl1@epri.sgcc.com.cn;

楊靖波(1973)，男，博士，高級(jí)工程師，主要從事輸電線路桿塔結(jié)構(gòu)方面的研究工作，E-mail:yjb@epri.sgcc.com.cn;

李杰(1969)，男，博士，教授，博導(dǎo)，主要從事計(jì)算空氣動(dòng)力學(xué)的基礎(chǔ)與應(yīng)用研究工作，E-mail:lijieruihao@126.com。