城市地貌高空臺(tái)風(fēng)麥德姆特性實(shí)測(cè)分析

城市地貌高空臺(tái)風(fēng)麥德姆特性實(shí)測(cè)分析

0湍流特性分析空氣邊界層是人類(lèi)活動(dòng)的主要場(chǎng)所。該建筑受到空氣邊界層空氣流動(dòng)的影響。其流量特征的研究是風(fēng)景風(fēng)劃工程的主要內(nèi)容之一。2000年龐加斌等人湍流積分尺度與風(fēng)場(chǎng)數(shù)據(jù)長(zhǎng)度和平穩(wěn)程度有關(guān)本文基于城市高空“麥德姆”臺(tái)風(fēng)過(guò)程中長(zhǎng)時(shí)間序列的實(shí)測(cè)數(shù)據(jù),共選取五個(gè)時(shí)距(30s、1min、5min、10min和20min)進(jìn)行分析,得到平均風(fēng)速、風(fēng)向、湍流度、陣風(fēng)因子和脈動(dòng)風(fēng)速譜等湍流特性。然后采用兩種基于Taylor假定的方法來(lái)計(jì)算湍流積分尺度,分別從平均風(fēng)速、湍流度和陣風(fēng)因子等要素,來(lái)探討不同時(shí)距對(duì)城市高空臺(tái)風(fēng)的湍流積分尺度的影響,確定出比較合理、穩(wěn)定的尺度分析時(shí)距。1風(fēng)速儀和數(shù)據(jù)采集實(shí)測(cè)風(fēng)速儀設(shè)置在溫州市華盟商務(wù)廣場(chǎng)頂部,該樓東南面是一片開(kāi)闊地,西北面存在少量的高層,屬于城市市郊地貌,試驗(yàn)樓周?chē)h(huán)境見(jiàn)圖1。在華盟商務(wù)廣場(chǎng)頂部東南角設(shè)置一臺(tái)YONG型機(jī)械式風(fēng)速儀,將其固定在樓頂9m高的直桿上,風(fēng)速儀離地高度約為175m。風(fēng)速儀正北安裝,風(fēng)向角定義北風(fēng)為φ=0°,按俯視順時(shí)針增大,即東風(fēng)為φ=90°,其他角度順時(shí)針依此類(lèi)推。采用優(yōu)泰數(shù)據(jù)采集儀進(jìn)行數(shù)據(jù)采集,采樣頻率為25.6Hz?！胞湹履贰迸_(tái)風(fēng)于2014年7月23日15時(shí)在福建沿海登陸,進(jìn)入內(nèi)陸之后再進(jìn)入溫州市區(qū),圖2為“麥德姆”臺(tái)風(fēng)的移動(dòng)路徑。臺(tái)風(fēng)登陸進(jìn)入市區(qū)之后,由于受到城市下墊面的影響,實(shí)測(cè)得到的湍流度較大,且順風(fēng)向湍流度大于橫風(fēng)向湍流度2風(fēng)場(chǎng)特征的測(cè)量2.1平均風(fēng)速和風(fēng)向根據(jù)下列公式計(jì)算風(fēng)速的兩個(gè)分量(如圖4所示)。平均風(fēng)速U和平均風(fēng)向角θ為:在一定時(shí)距內(nèi),順風(fēng)向和橫風(fēng)向脈動(dòng)風(fēng)速根據(jù)(1)~式(6),圖5給出了“麥德姆”臺(tái)風(fēng)10min平均時(shí)距下平均風(fēng)速、平均風(fēng)向角時(shí)程。圖6給出了臺(tái)風(fēng)“麥德姆”10min平均時(shí)距下整個(gè)樣本的順風(fēng)向、橫風(fēng)向的脈動(dòng)風(fēng)速。10min時(shí)距下平均風(fēng)速均值為12.99m/s,最大值為14.65m/s,平均風(fēng)向角為124.54°。2.2min平均時(shí)距湍流度與脈動(dòng)風(fēng)速均方根、平均風(fēng)速的關(guān)系為:其中σ圖7給出了10min平均時(shí)距下順風(fēng)向和橫風(fēng)向湍流度隨平均風(fēng)速的變化情況,其均值分別為0.238和0.189。目前有多個(gè)經(jīng)驗(yàn)公式用于估算順風(fēng)向湍流度,如我國(guó)荷載規(guī)范式中I2.3矩陣矩陣因素陣風(fēng)因子G本文陣風(fēng)持續(xù)期取t2.4動(dòng)脈風(fēng)速譜普遍認(rèn)為VonKarman譜能準(zhǔn)確地反應(yīng)脈動(dòng)風(fēng)的統(tǒng)計(jì)特性。橫風(fēng)向式中:S3流量積分布模式湍流積分尺度與數(shù)據(jù)的長(zhǎng)度和平穩(wěn)程度有關(guān):式中:R3.1匡恒假設(shè)如果湍流旋渦以平均風(fēng)速U遷移,則脈動(dòng)速u(mài)(x式中:R3.2指數(shù)衰減率計(jì)算方法實(shí)測(cè)過(guò)程中,根據(jù)Taylor假設(shè),將多點(diǎn)測(cè)量簡(jiǎn)化為單點(diǎn)測(cè)量。本文采用兩種方法計(jì)算,如下所示:(1)根據(jù)式(14)計(jì)算,式(14)的積分上限取到R(2)根據(jù)Taylor假設(shè),自相關(guān)函數(shù)也符合指數(shù)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(shí)距對(duì)湍流積分尺度的影響,將實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)樣本(時(shí)長(zhǎng)6.7h)按平均時(shí)距分割成獨(dú)立的子樣本進(jìn)行分析。共選取5個(gè)不同時(shí)距,分別為30s、1min、5min、10min和20min,其子樣本總數(shù)分別為794、396、79、39和19,并分析了不同平均時(shí)距下的風(fēng)場(chǎng)特性(平均風(fēng)速、縱向湍流度、縱向陣風(fēng)因子),見(jiàn)表1和表2。利用上述自相關(guān)函數(shù)直接積分法和指數(shù)衰減擬合法分別計(jì)算縱向湍流積分尺度L從表1和表2可以看出,時(shí)距小平均風(fēng)速極值大,湍流度小但其變異系數(shù)(變異系數(shù)為均方差與均值的比值)大,表現(xiàn)為不穩(wěn)定;時(shí)距大平均風(fēng)速極值小,湍流度大但其變異系數(shù)小,最為穩(wěn)定。因此可知隨著時(shí)距的增大,湍流度的均值增大,但其變異系數(shù)卻變小,這說(shuō)明隨著時(shí)距的增大,湍流度增大,卻更加穩(wěn)定。隨著時(shí)距的增大,陣風(fēng)因子均值增大,但其變異系數(shù)卻基本相同,這說(shuō)明隨著時(shí)距增大,陣風(fēng)因子的均方差與均值成線性關(guān)系。為了得到這樣一時(shí)距,在其下計(jì)算得到的風(fēng)速較大,湍流度和陣風(fēng)因子較小,變異系數(shù)也較小。綜上分析可知,當(dāng)時(shí)距為5min時(shí)最為符合,其湍流度和陣風(fēng)因子分別為0.233和1.379。自相關(guān)函數(shù)積分法和指數(shù)衰減擬合法均是基于Taylor假定對(duì)自相關(guān)函數(shù)進(jìn)行積分。從表3可以看出,時(shí)距的選取對(duì)湍流積分尺度有很大的影響。時(shí)距為30s時(shí),積分尺度主要分布在50m以?xún)?nèi)。兩種方法計(jì)算的積分尺度均值分別為14.41m和14.48m;當(dāng)時(shí)距為1min時(shí),積分尺度均值分別為31.36m和27.62m;當(dāng)時(shí)距為5min時(shí),積分尺度均值分別為120.46m和66.36m,較前兩個(gè)時(shí)距顯著增大,這三個(gè)時(shí)距下的積分尺度分布較為集中;當(dāng)時(shí)距為10min時(shí),積分尺度均值進(jìn)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(dāng)時(shí)距為20min時(shí),此時(shí)距下的積分尺度更為分散,其均值達(dá)到最大,分別為215.97m和119.38m?？梢钥闯?隨著時(shí)距的增大,積分尺度的分布范圍更廣,更為分散,但其對(duì)應(yīng)的積分尺度更大,也就是說(shuō)明積分尺度隨著時(shí)距的增大而增大。從圖11可知,在相同平均風(fēng)速下,方法一得到的積分尺度隨著平均時(shí)距的增大而增大。方法二中平均風(fēng)速為14m/s、12m/s時(shí)得到的縱向湍流積分尺度隨著時(shí)距的增大而增大;平均風(fēng)速為13m/s時(shí)呈現(xiàn)先增大后減小的趨勢(shì)、在時(shí)距5min下得到的尺度最大?？傮w上看,在平均風(fēng)速相同的情況下,積分尺度隨著平均時(shí)距的增大而增大;在相同時(shí)距下,平均風(fēng)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(jì)算得到的湍流積分尺度分布形狀類(lèi)似,這說(shuō)明,自相關(guān)函數(shù)能較好地滿(mǎn)足指數(shù)衰減率。從圖12可以看到,利用兩種方法計(jì)算得到的湍流積分尺度隨著平均時(shí)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(dāng)時(shí)距為30s時(shí),兩者差別不大,但隨著時(shí)距的增大,二者的湍流積分尺度之差越大。兩種方法計(jì)算得到的積分尺度均方差在30s和1min兩個(gè)時(shí)距基本相等,隨著時(shí)距的增大,方法一遞增,方法二先增大后減小,極值點(diǎn)出現(xiàn)在時(shí)距為10min時(shí),這也說(shuō)明了隨著時(shí)距的增大,積分尺度的分布范圍更廣泛。當(dāng)時(shí)距為30s時(shí),兩種方法的變異系數(shù)基本相同,說(shuō)明其穩(wěn)定性相差無(wú)異,但隨著平均時(shí)距的增大,方法一的變異系數(shù)隨著平均時(shí)距增大呈現(xiàn)先減小后增大的趨勢(shì),方法二的變異系數(shù)隨著時(shí)距的增大呈現(xiàn)出先增大后減小的趨勢(shì),這也從另一個(gè)方面證實(shí)了時(shí)距對(duì)積分尺度的影響。變異系數(shù)曲線的拐點(diǎn)都出現(xiàn)在時(shí)距為5min下,可以看出自相關(guān)函數(shù)積分法在穩(wěn)定性方面明顯優(yōu)于指數(shù)衰減擬合法。本文從平均風(fēng)速、湍流度和陣風(fēng)因子等湍流特性探討不同時(shí)距對(duì)城市高空臺(tái)風(fēng)的湍流積分尺度的影響。綜上所述,當(dāng)平均時(shí)距為5min時(shí),風(fēng)速大、湍流度和陣風(fēng)因子小、其變異系數(shù)小,此時(shí)距下得到的強(qiáng)風(fēng)特性最為合理;此時(shí)距計(jì)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(guān)函數(shù)積分法得到的方差最小。因此當(dāng)平均時(shí)距為5min時(shí),采用自相關(guān)函數(shù)積分法得到的湍流積分尺度最為合理。4湍流度較大時(shí)距的比較通過(guò)對(duì)城市地貌高空臺(tái)風(fēng)“麥德姆”觀測(cè)數(shù)據(jù)分析得到了其湍流特性,并探討了在兩種計(jì)算方法下湍流積分尺度與平均時(shí)距的關(guān)系。得到以下結(jié)論:(1)分析比較5種時(shí)距下臺(tái)風(fēng)特性。時(shí)距小,平均風(fēng)速大,湍流度小,但其變異系數(shù)大,不穩(wěn)定;時(shí)距大,平均風(fēng)速小,湍流度大,但其變異系數(shù)小,最為穩(wěn)定。綜合比較,當(dāng)時(shí)距為5min時(shí),風(fēng)速較大,湍流度和陣風(fēng)因子較小,其變異系數(shù)也較小,最為合理。(2)在相同平均風(fēng)速下,積分尺度隨著平均時(shí)距的增大而增大;同一時(shí)距下,平均風(fēng)速越大其積分尺度越大。兩種方法計(jì)算得到的湍流積分尺度分布形狀類(lèi)似,自相關(guān)函數(shù)能較好地滿(mǎn)足指數(shù)衰減率。(3)自相關(guān)函數(shù)積分法和指數(shù)衰減擬合法均是基于Taylor假定,前