城市地貌高空臺風麥德姆特性實測分析

0湍流特性分析空氣邊界層是人類活動的主要場所。該建筑受到空氣邊界層空氣流動的影響。其流量特征的研究是風景風劃工程的主要內容之一。2000年龐加斌等人湍流積分尺度與風場數據長度和平穩程度有關本文基于城市高空“麥德姆”臺風過程中長時間序列的實測數據,共選取五個時距(30s、1min、5min、10min和20min)進行分析,得到平均風速、風向、湍流度、陣風因子和脈動風速譜等湍流特性。然后采用兩種基于Taylor假定的方法來計算湍流積分尺度,分別從平均風速、湍流度和陣風因子等要素,來探討不同時距對城市高空臺風的湍流積分尺度的影響,確定出比較合理、穩定的尺度分析時距。1風速儀和數據采集實測風速儀設置在溫州市華盟商務廣場頂部,該樓東南面是一片開闊地,西北面存在少量的高層,屬于城市市郊地貌,試驗樓周圍環境見圖1。在華盟商務廣場頂部東南角設置一臺YONG型機械式風速儀,將其固定在樓頂9m高的直桿上,風速儀離地高度約為175m。風速儀正北安裝,風向角定義北風為φ=0°,按俯視順時針增大,即東風為φ=90°,其他角度順時針依此類推。采用優泰數據采集儀進行數據采集,采樣頻率為25.6Hz。“麥德姆”臺風于2014年7月23日15時在福建沿海登陸,進入內陸之后再進入溫州市區,圖2為“麥德姆”臺風的移動路徑。臺風登陸進入市區之后,由于受到城市下墊面的影響,實測得到的湍流度較大,且順風向湍流度大于橫風向湍流度2風場特征的測量2.1平均風速和風向根據下列公式計算風速的兩個分量(如圖4所示)。平均風速U和平均風向角θ為:在一定時距內,順風向和橫風向脈動風速根據(1)~式(6),圖5給出了“麥德姆”臺風10min平均時距下平均風速、平均風向角時程。圖6給出了臺風“麥德姆”10min平均時距下整個樣本的順風向、橫風向的脈動風速。10min時距下平均風速均值為12.99m/s,最大值為14.65m/s,平均風向角為124.54°。2.2min平均時距湍流度與脈動風速均方根、平均風速的關系為:其中σ圖7給出了10min平均時距下順風向和橫風向湍流度隨平均風速的變化情況,其均值分別為0.238和0.189。目前有多個經驗公式用于估算順風向湍流度,如我國荷載規范式中I2.3矩陣矩陣因素陣風因子G本文陣風持續期取t2.4動脈風速譜普遍認為VonKarman譜能準確地反應脈動風的統計特性。橫風向式中:S3流量積分布模式湍流積分尺度與數據的長度和平穩程度有關:式中:R3.1匡恒假設如果湍流旋渦以平均風速U遷移,則脈動速u(x式中:R3.2指數衰減率計算方法實測過程中,根據Taylor假設,將多點測量簡化為單點測量。本文采用兩種方法計算,如下所示:(1)根據式(14)計算,式(14)的積分上限取到R(2)根據Taylor假設,自相關函數也符合指數衰減率3.3邊界條件下縱向積分尺度在采樣頻率一定(25.6Hz)的情況下,為研究平均時距對湍流積分尺度的影響,將實測數據樣本(時長6.7h)按平均時距分割成獨立的子樣本進行分析。共選取5個不同時距,分別為30s、1min、5min、10min和20min,其子樣本總數分別為794、396、79、39和19,并分析了不同平均時距下的風場特性(平均風速、縱向湍流度、縱向陣風因子),見表1和表2。利用上述自相關函數直接積分法和指數衰減擬合法分別計算縱向湍流積分尺度L從表1和表2可以看出,時距小平均風速極值大,湍流度小但其變異系數(變異系數為均方差與均值的比值)大,表現為不穩定;時距大平均風速極值小,湍流度大但其變異系數小,最為穩定。因此可知隨著時距的增大,湍流度的均值增大,但其變異系數卻變小,這說明隨著時距的增大,湍流度增大,卻更加穩定。隨著時距的增大,陣風因子均值增大,但其變異系數卻基本相同,這說明隨著時距增大,陣風因子的均方差與均值成線性關系。為了得到這樣一時距,在其下計算得到的風速較大,湍流度和陣風因子較小,變異系數也較小。綜上分析可知,當時距為5min時最為符合,其湍流度和陣風因子分別為0.233和1.379。自相關函數積分法和指數衰減擬合法均是基于Taylor假定對自相關函數進行積分。從表3可以看出,時距的選取對湍流積分尺度有很大的影響。時距為30s時,積分尺度主要分布在50m以內。兩種方法計算的積分尺度均值分別為14.41m和14.48m;當時距為1min時,積分尺度均值分別為31.36m和27.62m;當時距為5min時,積分尺度均值分別為120.46m和66.36m,較前兩個時距顯著增大,這三個時距下的積分尺度分布較為集中;當時距為10min時,積分尺度均值進一步增大到166.84m和110.12m,但兩種方法得到的積分尺度分布均較為離散;當時距為20min時,此時距下的積分尺度更為分散,其均值達到最大,分別為215.97m和119.38m。可以看出,隨著時距的增大,積分尺度的分布范圍更廣,更為分散,但其對應的積分尺度更大,也就是說明積分尺度隨著時距的增大而增大。從圖11可知,在相同平均風速下,方法一得到的積分尺度隨著平均時距的增大而增大。方法二中平均風速為14m/s、12m/s時得到的縱向湍流積分尺度隨著時距的增大而增大;平均風速為13m/s時呈現先增大后減小的趨勢、在時距5min下得到的尺度最大。總體上看,在平均風速相同的情況下,積分尺度隨著平均時距的增大而增大;在相同時距下,平均風速越大其積分尺度越大。由圖11和圖12可以看出,兩種方法計算得到的湍流積分尺度分布形狀類似,這說明,自相關函數能較好地滿足指數衰減率。從圖12可以看到,利用兩種方法計算得到的湍流積分尺度隨著平均時距的增大而增大。兩種方法得到的縱向湍流積分尺度的比例分別為0.169∶0.323∶1.000∶1.418∶1.810和0.158∶0.309∶1.000∶1.191∶1.082。當時距為30s時,兩者差別不大,但隨著時距的增大,二者的湍流積分尺度之差越大。兩種方法計算得到的積分尺度均方差在30s和1min兩個時距基本相等,隨著時距的增大,方法一遞增,方法二先增大后減小,極值點出現在時距為10min時,這也說明了隨著時距的增大,積分尺度的分布范圍更廣泛。當時距為30s時,兩種方法的變異系數基本相同,說明其穩定性相差無異,但隨著平均時距的增大,方法一的變異系數隨著平均時距增大呈現先減小后增大的趨勢,方法二的變異系數隨著時距的增大呈現出先增大后減小的趨勢,這也從另一個方面證實了時距對積分尺度的影響。變異系數曲線的拐點都出現在時距為5min下,可以看出自相關函數積分法在穩定性方面明顯優于指數衰減擬合法。本文從平均風速、湍流度和陣風因子等湍流特性探討不同時距對城市高空臺風的湍流積分尺度的影響。綜上所述,當平均時距為5min時,風速大、湍流度和陣風因子小、其變異系數小,此時距下得到的強風特性最為合理;此時距計算得到的積分尺度分布最為集中,積分尺度也較大,其中自相關函數積分法得到的方差最小。因此當平均時距為5min時,采用自相關函數積分法得到的湍流積分尺度最為合理。4湍流度較大時距的比較通過對城市地貌高空臺風“麥德姆”觀測數據分析得到了其湍流特性,并探討了在兩種計算方法下湍流積分尺度與平均時距的關系。得到以下結論:(1)分析比較5種時距下臺風特性。時距小,平均風速大,湍流度小,但其變異系數大,不穩定;時距大,平均風速小,湍流度大,但其變異系數小,最為穩定。綜合比較,當時距為5min時,風速較大,湍流度和陣風因子較小,其變異系數也較小,最為合理。(2)在相同平均風速下,積分尺度隨著平均時距的增大而增大;同一時距下,平均風速越大其積分尺度越大。兩種方法計算得到的湍流積分尺度分布形狀類似,自相關函數能較好地滿足指數衰減率。(3)自相關函數積分法和指數衰減擬合法均是基于Taylor假定,前