热带气旋边界层风场剖面及工程湍流特性研究

摘要

近年大量的超高层建筑、超大跨度桥梁和空间结构涌现在经济飞速发展的我国东南沿海地带,每年遭受若干次的台风袭击,使得台风荷载成为这些动力敏感结构的重要荷载甚至是控制荷载;除却这些风敏感结构外,台风对低矮房屋、广告牌、输电线塔等建(构)筑物造成的巨大破坏也已成为土木工程灾害的重要组成部分。然而由于台风结构本身的差异性和风场湍流的复杂性,目前我国对台风影响区建(构)筑物的抗风设计只能通过类比非气旋风场的湍流特性来假定并参考一些国外抗风设计规范的研究成果。这样我们将不得不面临如下三个基本问题:(1)台风风场湍流特性是否可以通过类比非气旋风场的湍流特性而假定?(2)台风和飓风生成于不同的海域,洋面温度以及地理环境的差异是否导致二者之间的湍流特性同样有所差异?(3)热带气旋风场的非对称螺旋结构特征以及风场中的对流湍流成分是否对脉动风速能量的分布有所影响?为了解答以上这三个基本问题,本文利用实测的台风和飓风资料进行了如下几方面的研究工作:
　　基于移动式风廓线雷达的实测数据,研究了台风风场在行星边界层的风速和风向剖面特征。之后定义了工程边界层并给出了A类和C类场地工程边界层名义梯度风高度的数学模型,提出了由常流层、中间层和递减层组成的三层组合工程边界层风速剖面模型;基于概率保证提出了可适用于工程结构抗风设计的A类和C类场地工程边界层指数律剖面模型,并拟合了相应场地的指数α值,给出了梯度风高度计算模型。分析了近地风观测塔实测的数据,发现台风风场眼壁强风区的风速剖面在近地层存在一个近地激流层,基于涡旋结构理论研究了该近地激流层的形成机理。
　　利用若干个风观测塔同步观测的四次台风过程和三次飓风过程的数据,提出了系统的原始数据质量控制方法和代表性样本选取准则;接下来研究了台风风场中的湍流比、拖曳系数特征;之后对比分析了台风和飓风风场的工程湍流特性参数(包括湍流强度、积分尺度、阵风因子、峰值因子、偏度系数与峰度系数)及相应剖面特征的差异,并与ASCE7-10中的相应推荐值进行了比较,给出具体的建议。提出了不同场地类别不同高度的风场湍流特性转换理论模型,并基于实测的数据利用该转换模型研究了台风和飓风风场湍流特性参数在标准场地的具体取值和概率分布特征。
　　研究了台风风场在涡旋边界层的顺风向和竖向脉动风速谱特征,发现由于地面的阻挡作用使得湍流场中的大尺度漩涡直接向小尺度漩涡传递能量,从而使得顺风向风速谱存在一个自相似子区,在该子区归一化的风速谱不随频率的变化而变化;竖向风速谱则呈现了谱密度在低频区与高度成正比的特征。研究了台风风场在近地层的顺风向和竖向脉动风速谱特征,发现眼壁强风区的顺风向脉动风速谱在高频区存在一个二阶自相似子区和一个二阶含能子区,竖向脉动风速谱亦呈现类似的变化规律,于是探究了形成该风速谱特征的湍流机理。提出了包含含能区、自相似子区、惯性子区、能量耗散区、二阶自相似子区、二阶含能区和二阶耗散区的七区域台风风场顺风向脉动风速谱统一理论模型。
　　在六参数顺风向脉动风速谱统一模型的基础上通过参数敏感性分析和模型准则分析,将六参数统一模型简化为四参数顺风向脉动风速谱简化模型;之后在莫宁-奥布霍夫相似理论的框架内建立了基于四个谱参数的脉动风速谱建模理论;利用实测的强台风黑格比风场数据,提出了四个谱参数的经验模型,从而提出了基于设计基准条件的台风风场边界层顺风向脉动风速谱建模方法;利用在强台风黑格比风场任意选取的四个一小时长度的数据样本,验证了上述理论建模方法的准确性。
　　本文的研究成果是在基于实测数据的基础上获得的,但是可能由于数据样本量的限制,有些研究成果尚处于定性阶段,可能还需进一步扩大数据样本从而提出更为精确的、定量的结论以指导台风影响区各类建(构)筑物的抗风设计。

目录

摘 要

Abstract

第1章 绪论

1.1 课题来源、研究背景及意义

1.1.1 课题来源

1.1.2 课题研究背景及意义

1.2 国内外研究现状

1.2.1 热带气旋现场实测

1.2.2 热带气旋风场剖面特征

1.2.3 热带气旋边界层风场工程湍流特性

1.2.4 热带气旋风场脉动风速谱特征

1.3 本文主要工作

第2章 台风风场行星边界层剖面特征研究

2.1 引言

2.2 台风风场行星边界层剖面特征分析

2.2.1 Airda 3000Q移动式风廓线雷达简介

2.2.2 台风过程实测及数据来源

2.2.3 行星边界层风场风速剖面特征分析

2.2.4 行星边界层风场风向剖面特征分析

2.3 台风风场工程边界层风速剖面精细化特征研究

2.3.1 A类场地工程边界层风速剖面精细化特征分析

2.3.2 C类场地工程边界层风速剖面精细化特征分析

2.4 台风风场近地层风速剖面特征研究

2.4.1 观测台站及数据来源

2.4.2 近地层风速剖面特征研究

2.5 本章小结

第3章 基于现场实测的台/飓风湍流特性对比研究

3.1 引言

3.2 台/飓风现场实测及仪器配置

3.2.1 台/飓风事件及其现场实测

3.2.2 仪器配置

3.3 数据质量控制及样本选取准则

3.3.1 数据质量控制

3.3.2 样本选取准则

3.4 台/飓风实测湍流特性对比研究

3.4.1 湍流比

3.4.2 拖曳系数

3.4.3 空气动力学粗糙度长度

3.4.4 工程湍流风特性对比

3.5 不同场地风场湍流特性转换模型研究

3.5.1 理论模型

3.5.2 规范标准场地台/飓风湍流特性对比研究

3.6 本章小结

第4章 台风风场边界层脉动风速谱特征研究

4.1 引言

4.2 台风风场涡旋边界层脉动风速谱研究

4.2.1 大气边界层湍流生成机理及涡旋边界层

4.2.2 涡旋边界层湍流机理简介

4.2.3 涡旋边界层风速谱理论分析

4.2.4 台风风场涡旋边界层风速谱研究

4.3 台风风场近地层风速谱研究

4.3.1 数据来源

4.3.2 台风风场近地层风速谱特性

4.3.3 台风风场近地层风速谱特征与近地激流层

4.4 台风风场边界层顺风向风速谱统一理论模型

4.5 本章小结

第5章 基于设计基准条件的台风边界层风速谱建模

5.1 引言

5.2 顺风向风速谱统一模型分析

5.2.1 顺风向风速谱基本理论

5.2.2 参数敏感性分析

5.3 顺风向风速谱理论模型建立

5.3.1 模型准则

5.3.2 风速谱理论建模

5.3.3 模型简化

5.4 谱参数经验模型建立

5.4.1 数据来源

5.4.2 大气层结稳定度

5.4.3 湍流比

5.4.4 谱参数经验模型

5.5 强台风黑格比风场顺风向脉动风速谱建立

5.5.1 数据样本

5.5.2 强台风黑格比风场顺风向风速谱

5.6 本章小结

结 论

参考文献

攻读博士学位期间发表的论文

哈尔滨工业大学学位论文原创性声明及使用授权说明

致 谢

个人简历