復(fù)雜地形條件下的風(fēng)特性實(shí)測研究

復(fù)雜地形條件下的風(fēng)特性實(shí)測研究

隨著“一帶一路”國家建設(shè)的實(shí)施和國家新能源項(xiàng)目的開發(fā)和建設(shè)，西部建設(shè)項(xiàng)目開始發(fā)展。這里有許多對風(fēng)荷載敏感的復(fù)雜和高大結(jié)構(gòu)。在設(shè)計(jì)這類結(jié)構(gòu)時(shí)，這些結(jié)構(gòu)的風(fēng)負(fù)荷價(jià)值也越來越受到重視。例如:大型風(fēng)電工程中有關(guān)工程選址;高壓輸電線及其塔架、風(fēng)機(jī)及其塔架的抗風(fēng)措施;光伏工程中光伏板的抗風(fēng)性能等。而對風(fēng)環(huán)境影響明顯的西部地形復(fù)雜、多樣,同時(shí)對西部地區(qū)強(qiáng)風(fēng)的系統(tǒng)研究開展較晚,現(xiàn)有風(fēng)特性資料極少,難以滿足工程需求,故復(fù)雜地形條件下強(qiáng)風(fēng)特性的準(zhǔn)確描述問題亟待解決。而獲取風(fēng)參數(shù)最方便、高效率的途徑是現(xiàn)場實(shí)測。國外實(shí)測工作開展較早,如加拿大的Davenport,早在20世紀(jì)60年代就率先提出了風(fēng)速剖面指數(shù)函數(shù)模型、地表粗糙度概念以及經(jīng)典的Davenport譜,Duchene-Marullaz1現(xiàn)場測量總結(jié)1.1試驗(yàn)儀器及設(shè)備新疆是我國內(nèi)陸強(qiáng)風(fēng)最為盛行的地區(qū),根據(jù)強(qiáng)風(fēng)分布、地形特點(diǎn)及風(fēng)觀測塔的建塔情況,選擇屬于大風(fēng)日數(shù)全疆之冠的阿拉山口地區(qū)、全疆第二的達(dá)坂城地區(qū)以及位于冷空氣入疆通道的額爾齊斯河河谷區(qū)域。其中,三處測站所在區(qū)域方圓20km的地形特點(diǎn)為:阿拉山口—喇叭口地形、達(dá)坂城(柴窩堡)—山谷單坡地形、額爾齊斯河河谷(托洪臺)—河谷不規(guī)則地形,具體地形見圖1,從范圍更大的地形圖可見阿拉山口和柴窩堡均處于高山寬谷的谷底,地形類U形。為研究風(fēng)特性沿高度方向的分布特點(diǎn),分別建立了100m高的2個(gè)測風(fēng)塔和70m高的1個(gè)測風(fēng)塔,并且從10m高度起至70m高度每隔20m安裝一組風(fēng)觀測儀器,其中風(fēng)觀測儀器選用的是CAWS1000-GWS風(fēng)觀測系統(tǒng),EL15-2D風(fēng)向傳感器,EL15-1A風(fēng)速傳感器,WindMasterPro型三維超聲風(fēng)速風(fēng)向傳感器,具體風(fēng)觀測塔及儀器架設(shè)見表1。此外在基站內(nèi)設(shè)置有保障風(fēng)觀測數(shù)據(jù)采集、記錄系統(tǒng)正常運(yùn)行的無線接收裝置、不間斷工作計(jì)算機(jī)和不間斷電源等裝置。1.2豎向脈動(dòng)風(fēng)參數(shù)設(shè)置實(shí)測數(shù)據(jù)的具體測試及分析方法見表2,三維測風(fēng)儀相比二維測風(fēng)儀所測風(fēng)參數(shù)更多,如風(fēng)攻角和豎向脈動(dòng)風(fēng)參數(shù)。具體分析步驟為:(1)強(qiáng)風(fēng)數(shù)據(jù)篩選,(2)分析風(fēng)速、風(fēng)向角、風(fēng)攻角及風(fēng)剖面等平均風(fēng)參數(shù),(3)選擇持續(xù)時(shí)間較長、風(fēng)向穩(wěn)定的大風(fēng)樣本分析紊流強(qiáng)度、陣風(fēng)因子、紊流積分尺度和風(fēng)速功率譜等脈動(dòng)風(fēng)參數(shù)。2風(fēng)性能參數(shù)分析2.1儀器實(shí)測結(jié)果風(fēng)速的最大值由10min滑動(dòng)平均風(fēng)速統(tǒng)計(jì)所得,極大值由瞬時(shí)風(fēng)速統(tǒng)計(jì)所得。觀測期三處測風(fēng)塔各高度月最大風(fēng)速和極大風(fēng)速分布見圖2,對應(yīng)的風(fēng)向角見圖3,柴窩堡測風(fēng)塔70m高度對應(yīng)的風(fēng)向角見圖4。分析圖2~4可見各強(qiáng)風(fēng)區(qū)具有如下平均風(fēng)特性:(1)各塔各高度處風(fēng)速最大值和極大值都在3月出現(xiàn)(圖2中,阿拉山口測風(fēng)塔50m高處2010年1月數(shù)據(jù)失真,源于儀器故障),托洪臺風(fēng)向以東風(fēng)為主,阿拉山口和柴窩堡風(fēng)向均以西北風(fēng)為主,表明風(fēng)速與季節(jié)有關(guān)。(2)風(fēng)向沿高度方向基本不變,且其變化與季節(jié)有關(guān)。(3)柴窩堡風(fēng)觀測塔風(fēng)攻角均在±5°間,且大部分強(qiáng)風(fēng)時(shí)段風(fēng)攻角在±3°間,正攻角最大值為3.6°,負(fù)攻角最大值為-4.8°。對三維測風(fēng)儀與普通二維測風(fēng)儀在2009年12月~2010年9月時(shí)間段的實(shí)測結(jié)果進(jìn)行了對比,見圖5。由圖5可見:(1)兩種儀器所測極大風(fēng)速發(fā)生時(shí)刻一致(均在2010年3月份);(2)三維測風(fēng)儀較普通二維測風(fēng)儀所測極大風(fēng)速大104%(2009年12月),所測最大風(fēng)速相差不大(2010年3月);(3)三維測風(fēng)儀所測各月(除2010年2月外)風(fēng)向角均為西北偏北風(fēng),二維測風(fēng)儀所測各月風(fēng)向角變化顯著;(4)二維測風(fēng)儀與三維測風(fēng)儀觀測結(jié)果(除風(fēng)向角外)規(guī)律一致,但三維測風(fēng)儀所測極值顯著大于二維測風(fēng)儀。2.2最大風(fēng)速擬合者選用最小二乘法對風(fēng)速剖面進(jìn)行指數(shù)擬合,分別選取平均風(fēng)速(日最大平均風(fēng)速的平均值)、最大風(fēng)速(觀測期間最大平均風(fēng)速)、月最大平均風(fēng)速進(jìn)行擬合,見圖6~7。由圖6可見,由最大風(fēng)速擬合得到的指數(shù)α較大,特別是柴窩堡處指數(shù)α=0.17,表明風(fēng)速剖面指數(shù)α隨風(fēng)速增大而明顯增大;由圖7可見,由實(shí)測月平均風(fēng)速擬合得托洪臺處α分散在0.047~0.169區(qū)間,平均值為0.091;在阿拉山口處α分散在0.092~0.149區(qū)間,平均值為0.120;柴窩堡處α分散在0.058~0.173區(qū)間,平均值為0.092。最大值均出現(xiàn)在風(fēng)速較大的二、三月份,對比圖2可知,指數(shù)α最大值對應(yīng)風(fēng)速均較大,指數(shù)α最小值對應(yīng)風(fēng)速多數(shù)亦較小,進(jìn)一步說明:風(fēng)速剖面指數(shù)α隨風(fēng)速增大而增大。2.3紊流強(qiáng)度和陣風(fēng)因子各風(fēng)觀測塔各高度處的紊流強(qiáng)度和陣風(fēng)因子統(tǒng)計(jì)結(jié)果見表3,柴窩堡測風(fēng)塔塔高70m處三維測風(fēng)儀所測紊流強(qiáng)度和陣風(fēng)因子統(tǒng)計(jì)結(jié)果見表4。分析表3中各高度處的紊流特性可見:(1)各測風(fēng)塔各高度處的紊流強(qiáng)度均值均比《規(guī)范》由表4可見:(1)紊流強(qiáng)度均值I2.4循環(huán)限制由柴窩堡測風(fēng)塔塔高70m處實(shí)測典型強(qiáng)風(fēng)時(shí)段風(fēng)速時(shí)程統(tǒng)計(jì)得到相應(yīng)的紊流積分尺度平均值,見圖8(圖中橫坐標(biāo)為樣本序列)。2.5托洪臺—紊流功率譜選取各測風(fēng)塔典型強(qiáng)風(fēng)時(shí)段的實(shí)測數(shù)據(jù),統(tǒng)計(jì)分析其風(fēng)速功率譜,其中強(qiáng)風(fēng)時(shí)段分別為:柴窩堡—2010-03-1218:00:00~18:59:59,阿拉山口—2010-08-2317:30:00~18:30:59,托洪臺—2010-03-2007:32:46~08:32:45,見圖9~10。由圖9可見:(1)各測風(fēng)塔沿高度方向的紊流功率譜相差不大,且隨高度增加脈動(dòng)頻率增大;(2)各塔實(shí)測紊流功率譜整體趨勢與《規(guī)范》譜一致,但整體小于《規(guī)范》譜;(3)整體脈動(dòng)頻率較低,除70m高度以下區(qū)域脈動(dòng)風(fēng)頻率均不在工程結(jié)構(gòu)關(guān)心的慣性子區(qū)范圍內(nèi)。另外,對柴窩堡測風(fēng)塔70m高度處三維測風(fēng)儀所測數(shù)據(jù)進(jìn)行了紊流功率譜特性分析,限于篇幅所限,僅給出2010-02-25的紊流功率譜圖形,如圖10所示,分析發(fā)現(xiàn)(1)S3塔高內(nèi)風(fēng)塔紊流強(qiáng)度及陣風(fēng)因子分布通過在新疆三處典型地形區(qū)設(shè)立特種風(fēng)觀測塔,對兩整年的實(shí)測數(shù)據(jù)進(jìn)行分析,探討相應(yīng)地形區(qū)的風(fēng)參數(shù),總結(jié)強(qiáng)風(fēng)特性如下。1)平均風(fēng)特性(1)風(fēng)速隨高度的增加而增加,風(fēng)向則保持基本不變;阿拉山口和柴窩堡的風(fēng)向與峽谷走向一致;此外,風(fēng)速、風(fēng)向與季節(jié)變化關(guān)系明顯。(2)風(fēng)攻角(柴窩堡風(fēng)觀測塔)均在±5°間,大部分時(shí)段集中在±3°間,建議U形山谷風(fēng)攻角范圍取±5°。(3)風(fēng)剖面指數(shù)α隨風(fēng)速增大而增大。2)紊流強(qiáng)度及陣風(fēng)因子(1)各區(qū)域紊流強(qiáng)度均值都小于《規(guī)范》給出的建議值,陣風(fēng)因子均值都小于《指南》給出的建議值,表明紊流強(qiáng)度在強(qiáng)風(fēng)條件下的值小于一般氣象條件下的值。(2)紊流強(qiáng)度和陣風(fēng)因子隨風(fēng)速增大而減小。(3)紊流強(qiáng)度均值I3)紊流積分尺度及功率譜(1)