出版社:科学出版社
出版日期:2013-1
ISBN:9787030360496
页数:296页
章节摘录
版权页： 插图： 下击暴流实测难给下击暴流的研究带来了很大的困难，很多研究者借助于实验室物理模拟，即通过设计各种产生冲击射流的物理装置来模拟下击暴流冲击地面后形成的近地面辐散风场。但物理模拟产生的冲击射流类型简单，对模拟这种随机性和多样性极强的下击暴流适应性较差。数值模拟方法是目前研究下击暴流的有效方法，气象界和风工程界针对各自不同的研究目标采用不同的数值模式。气象领域主要采用气象云模式，侧重于研究下击暴流的形成条件、动力机制、微物理过程等，能真实再现整个对流云的发生发展演变过程。但积云模式包含详细的微物理过程求解，网格精度受计算机发展水平的制约，而且网格分辨率增加到一定程度后进一步提高云模式的分辨率，模拟效果不一定更好，这与模式的分辨率和参数化过程是否匹配有关系。因此，积云模式终究解决的是云尺度的天气问题，无法获得下击暴流近地风场的细部特征。 风工程界最关心的是下击暴流撞击地面后产生的近地面辐散大风的风场特征及对结构的荷载效应等，主要采用CFD数值模式模拟高精度的理想下击暴流近地风场。但由于不可能通过实测获得CFD模拟所需的初始下沉气流入口条件，目前大多根据下击暴流统计特征来假定初始出流参数。事实上，自然界中实际发生的下击暴流随机性很强，下沉气流的横截面形状、大小以及下沉速度的分布等各不相同，基于假定的均匀圆形速度入口条件模拟得到的下击暴流近地风场并不能真实反映实际下击暴流近地风场的分布特征。鉴于气象和风工程两个领域数值模拟方法各自的优势和局限性，本章采用将气象模式和CFD模式相结合的多尺度混合数值模拟方法，基于常规的天气探测资料，采用气象模式模拟获得的网格较粗的实际下击暴流的空间流场数据，作为CFD模式模拟高网格精度的实际下击暴流近地风场的初始条件，从而完成下击暴流形成扩散全过程数值模拟，并据此研究实际下击暴流风场特征。 6.1混合数值模拟方案 通常，积云模式的初始水平网格长度较大，相对于CFD模式的水平网格长度而言其数据密度很小。为了满足CFD模式对数据密度的要求，需先开展采用提高网格分辨率的积云模式模拟实际下击暴流的研究。以往积云模式主要用于气象理论及其应用的研究中，对近地细部风场关注较少。
书籍目录
前言 第1章绪论 1.1雷暴强风 1.2下击暴流的发现、定义和分类 1.3下击暴流的基本特征 1.3.1尺度特征 1.3.2速度特征 1.3.3随机特征 1.3.4风压特征 1.4下击暴流的研究现状 1.4.1下击暴流现场实测 1.4.2下击暴流解析模型 1.4.3下击暴流物理模拟 1.4.4下击暴流数值模拟 1.4.5下击暴流风荷载模拟 1.4.6下击暴流风荷载规范 1.5输电线塔结构的抗下击暴流研究现状 1.5.1下击暴流的强灾害性 1.5.2输电线塔结构的抗下击暴流研究 参考文献 第2章理想下击暴流的数值模拟方法 2.1CFD与CWE 2.2流体动力学控制方程 2.2.1质量守恒方程 2.2.2动量守恒方程 2.2.3能量守恒方程 2.2.4控制方程的通用形式 2.3湍流运动的数值模拟 2.3.1湍流的基本方程 2.3.2湍流的数值模拟方法 2.3.3湍流模型 2.3.4近壁区的湍流模拟 2.3.5数值求解方法 2.3.6数值计算流程 2.4下击暴流的数值模型 2.4.1风场模型 2.4.2边界条件 2.4.3湍流模型与网格 参考文献 第3章理想下击暴流的形成、下沉与扩散过程 3.1计算模型与计算参数 3.1.1风场模型 3.1.2边界条件 3.1.3湍流模型与网格 3.2形成、下沉与扩散过程 3.2.1下击暴流形成、下沉与扩散过程的速度云图 3.2.2下击暴流形成、下沉与扩散过程的湍动能云图 3.3冲击地面前后的风场特征 3.3.1下击暴流冲击地面前后的风速云图和矢量场 3.3.2下击暴流冲击地面前后的瞬时风速分布 3.4下击暴流的瞬态风速特征 3.4.1水平风速的瞬态分布 3.4.2竖向风速的瞬态分布 第4章理想下击暴流的风剖面特征 4.1稳态风剖面 4.1.1水平风速的稳态分布 4.1.2竖向风速的稳态分布 4.2下击暴流与大气边界层风的风剖面特征比较 4.2.1相关参数 4.2.2竖直风剖面 4.2.3径向风剖面 4.3初始出流条件对风剖面的影响 4.3.1初始出流直径的影响 4.3.2初始出流高度的影响 4.3.3初始出流速度的影响 4.3.4初始出流倾角的影响 4.3.5初始初流条件研究小结 参考文献 第5章实际下击暴流形成的气象模式数值模拟 5.1对流单体结构及对流云特征 5.1.1对流单体结构 5.1.2对流云特征 5.2下击暴流的中尺度天气背景 5.2.1多单体雷暴 5.2.2超级单体雷暴 5.2.3飑线 5.2.4中尺度对流复合体 5.3基于中尺度ARPS模式的实际下击暴流模拟 5.3.1中尺度ARPS数值模式 5.3.2实例模拟 5.4基于三维积云模式的实际下击暴流模拟 5.4.1三维完全弹性冰雹云数值模式 5.4.2实例模拟 5.5基于中—云尺度气象模式嵌套模拟实际下击暴流 参考文献 第6章实际下击暴流风场的多尺度混合数值模拟 6.1混合数值模拟方案 6.2武汉“7•27”下击暴流风场的混合数值模拟 6.2.1高分辨率积云模式模拟及结果分析 6.2.2混合数值模拟及结果分析 6.3武汉“6•22”下击暴流风场的混合数值模拟 6.3.1高分辨率积云模式模拟及结果分析 6.3.2混合数值模拟及结果分析 6.4广州“7•21”下击暴流风场的混合数值模拟 6.4.1高分辨率积云模式模拟及结果分析 6.4.2混合数值模拟及结果分析 6.5下击暴流的多尺度混合数值模拟与理想数值模拟比较 6.5.1模拟方法 6.5.2近地风场特征 6.5.3风剖面特征 参考文献 第7章下击暴流风荷载模拟 7.1下击暴流风荷载的基本表达 7.2下击暴流的风荷载模型 7.3下击暴流平均成分的数值模拟 7.3.1基于竖直风剖面和时间函数的时变平均风速模拟方法 7.3.2基于改进的OBV模型的时变平均风速模拟方法 7.4下击暴流脉动成分的数值模拟 7.4.1脉动风速模型 7.4.2脉动风速模拟的谐波叠加法 7.5下击暴流风荷载的模拟检验 7.5.1AAFB风速记录 7.5.2数值参数 7.5.3模拟方法 7.5.4结果与分析 参考文献 第8章下击暴流作用下输电线塔结构的倒塌响应全过程分析 8.1下击暴流作用下输电线塔结构的响应特征 8.1.1两种风力作用下输电线塔结构的荷载效应 8.1.2输电线塔结构截面的抗弯抗力 8.1.3两种风力作用下输电线塔结构截面抗风能力的比较 8.1.4下击暴流作用下输电线塔结构的响应特征 8.2下击暴流作用下输电线塔有限元时程分析中的几个问题 8.2.1输电线塔结构有限元时程响应分析的多尺度问题 8.2.2整体尺度有限元分析时结构节点的大位移问题 8.2.3整体尺度有限元分析的压杆失稳问题 8.2.4结构节点尺度的精细有限元分析及两种尺度的位移和力学边界协调条件问题 8.3下击暴流作用下输电线塔考虑节点大位移求解的共转法 8.3.1基本思路 8.3.2采用共转法求解三维梁单元内力 8.3.3整体切线刚度矩阵 8.3.4增量有限元求解 8.4塔身主杆弹塑性失稳的有限元模型 8.4.1主杆失稳的“弯矩—轴力—轴向刚度”关系 8.4.2主杆失稳的有限元模型 8.5塔身主杆法兰螺栓联结拼装节点的等效梁单元 8.5.1法兰螺栓联结节点等效梁单元参数的求取方法 8.5.2法兰螺栓联结节点（包括有螺栓脱落）的精细有限元模型 8.5.3法兰螺栓联结节点（包括有螺栓脱落）等效梁单元的参数 8.6结构节点的精细有限元模型及位移和力学边界协调条件 8.6.1结构节点区的精细实体有限元模型 8.6.2位移与力学的边界相容条件 8.6.3结构节点区动应力场和焊缝裂纹萌生累积疲劳损伤的计算实例 8.7下击暴流作用下输电线塔的倒塌响应分析 8.7.1输电线塔倒塌破坏的关键部位 8.7.2输电线塔塔身关键部位杆件失稳的顺序及其对倒塌的影响 8.7.3塔身主杆法兰拼装节点螺栓脱落损伤对倒塌的影响 8.7.4结构节点焊缝裂纹萌生累积疲劳损伤对倒塌的影响 参考文献 附录单元坐标系的单位矢向量推导
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《下击暴流的形成与扩散及其对输电线塔的灾害作用》可供广大从事风工程研究的学者和从事风振相关研究、设计、控制的结构工程师参考。
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《下击暴流的形成与扩散及其对输电线塔的灾害作用》中介绍了当前国内外关于下击暴流的研究进展，深入探讨了理想下击暴流的数值模拟方法，理想下击暴流的下沉和扩散过程及理想下击暴流的风剖面特征，创建了实际下击暴流的混合数值模拟方法，提出了下击暴流作用下输电线塔倒塌全过程的分析方法和倒塌的破坏特征。