近地面風(fēng)力特征提取與特性分析

近地面風(fēng)力特征提取與特性分析

0精度風(fēng)負(fù)荷是影響工程結(jié)構(gòu)的主要負(fù)荷之一。只有更好地理解強(qiáng)制的性質(zhì)和規(guī)律，才能估算風(fēng)的結(jié)構(gòu)作用和風(fēng)場模擬的精度，才能獲得更高的精度。近年來,我國許多學(xué)者在上海、廣東和浙江等省開展了大量的近地邊界層風(fēng)場特性的實(shí)測研究,取得了較為豐碩的研究成果在對風(fēng)場特性進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析時(shí),我國普遍采用10min時(shí)距文中基于兩次臺(tái)風(fēng)風(fēng)場的實(shí)測數(shù)據(jù),以3s、10s、1min和10min為間隔,進(jìn)行了強(qiáng)風(fēng)特性的10min滑動(dòng)平均統(tǒng)計(jì)特性對比分析,以期獲得對近地面強(qiáng)風(fēng)風(fēng)場特性及其數(shù)據(jù)處理方法的新認(rèn)識(shí)。1臺(tái)風(fēng)過程部分觀測數(shù)據(jù)說明本文以2008年7月實(shí)測獲得的臺(tái)風(fēng)“海鷗”和“鳳凰”的風(fēng)場數(shù)據(jù)進(jìn)行分析,其中臺(tái)風(fēng)“海鷗”于18日18時(shí)在福建長春鎮(zhèn)登錄,登陸時(shí)中心附近最大風(fēng)力為10級(25m/s);臺(tái)風(fēng)“鳳凰”于28日22時(shí)在福建東瀚鎮(zhèn)登錄,登陸時(shí)中心附近最大風(fēng)力為12級(33m/s)。兩次臺(tái)風(fēng)過程的部分觀測數(shù)據(jù)相關(guān)說明見表1。近地風(fēng)場觀測點(diǎn)設(shè)置在溫州大學(xué)建工樓頂部,屬于城市市郊地形。在建工樓5層樓頂同一高度設(shè)置了兩臺(tái)WJ-3型風(fēng)速風(fēng)向儀,將其分別固定在9m高的直桿上(避免風(fēng)速儀處風(fēng)場受建工樓干擾)。兩風(fēng)速儀離地總高度約為30m,水平相距約17m。采用DH-5937數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)進(jìn)行數(shù)據(jù)采集,采樣頻率為20Hz。2不同間距滑動(dòng)平均法2.1基于局部濾波的測量數(shù)據(jù)處理在動(dòng)態(tài)測試數(shù)據(jù)中,對確定性成分和不確定成分進(jìn)行分離時(shí),如若只要消除動(dòng)態(tài)測試數(shù)據(jù)中的隨機(jī)起伏,而無需用某種函數(shù)或某些函數(shù)之和的形式來表示其變化規(guī)律,可采用平滑與濾波的數(shù)據(jù)處理方法,即滑動(dòng)平均法來實(shí)現(xiàn)。該方法雖然是一種古典的數(shù)據(jù)處理方法,但在試驗(yàn)數(shù)據(jù)處理中經(jīng)常被采用。假定動(dòng)態(tài)測試數(shù)據(jù)y(t)由確定性成分f(t)和隨機(jī)性成分e(t)組成,且前者為所需的測量結(jié)果或有效信號(hào),后者為隨機(jī)起伏的測試誤差或噪聲。經(jīng)離散化采樣后,可相應(yīng)地將動(dòng)態(tài)測試數(shù)據(jù)寫成為了精確地表示測量結(jié)果,抑制隨機(jī)誤差e(i)的影響,常對動(dòng)態(tài)測試數(shù)據(jù)y(i)作平滑和濾波處理。如對非平穩(wěn)的數(shù)據(jù)y(i),在適當(dāng)?shù)男^(qū)間上近似為平穩(wěn)的,而作某種局部平均,以減小e(i)所造成的隨機(jī)起伏。這樣對沿全長N個(gè)數(shù)據(jù)以某一擬定的滑動(dòng)間隔在逐一小區(qū)間上進(jìn)行不斷的局部平均,即可得出較平滑的測量結(jié)果f(i),而濾掉頻繁起伏的隨機(jī)誤差2.2散平均統(tǒng)計(jì)分析眾多的研究者在進(jìn)行風(fēng)場特性分析時(shí)都采用10min離散平均的方式計(jì)算出相應(yīng)的風(fēng)場特性,即將風(fēng)場數(shù)據(jù)根據(jù)時(shí)間序列按10min一段分成若干段(各段數(shù)據(jù)無重合),然后進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析,以減小或消除測試誤差、噪聲以及短時(shí)距脈動(dòng)的影響,得到風(fēng)場的統(tǒng)計(jì)特征。但分析表明10min離散平均的統(tǒng)計(jì)分析結(jié)果不能很好的反映出強(qiáng)風(fēng)風(fēng)場的脈動(dòng)性和變化規(guī)律,尤其是在實(shí)測風(fēng)場數(shù)據(jù)較少的時(shí)候缺陷尤為明顯,如繪制出來的結(jié)果圖形數(shù)據(jù)點(diǎn)較少,不能連續(xù)地反映出風(fēng)場的變化情況和脈動(dòng)規(guī)律等。因滑動(dòng)平均法可有效地消除動(dòng)態(tài)測試數(shù)據(jù)中的隨機(jī)起伏得到較為平滑的測量結(jié)果,是一種簡便而常用的數(shù)據(jù)處理方法。在此,為了解決10min離散平均進(jìn)行風(fēng)場特性統(tǒng)計(jì)分析的不足,本文提出采用滑動(dòng)平均法對近地強(qiáng)風(fēng)特性進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析。如以10min為基本時(shí)距,將實(shí)測風(fēng)場數(shù)據(jù)根據(jù)時(shí)間序列以某一時(shí)距為間隔進(jìn)行滑動(dòng)平均。如以1min間隔進(jìn)行10min時(shí)距滑動(dòng)平均時(shí),截取的第一段數(shù)據(jù)即為0到10min之間的時(shí)間序列,第二段數(shù)據(jù)即為1min到11min之間的時(shí)間序列,依此類推。為了研究不同滑動(dòng)間隔的影響,本文將以3s、10s、1min和10min為間隔進(jìn)行滑動(dòng)平均對比分析,其中以10min為間隔進(jìn)行滑動(dòng)平均實(shí)際上與10min離散平均方法相同。3近地面大風(fēng)滑動(dòng)平均統(tǒng)計(jì)特性對比分析以下對實(shí)測獲得的臺(tái)風(fēng)“海鷗”和“鳳凰”的風(fēng)場數(shù)據(jù),以3s、10s、1min和10min為間隔,進(jìn)行近地面強(qiáng)風(fēng)特性的10min滑動(dòng)平均的對比分析,其中風(fēng)場參數(shù)(如平均風(fēng)速和風(fēng)向角、湍流度、陣風(fēng)因子和湍流積分尺度)的相關(guān)定義及計(jì)算公式詳見文獻(xiàn)[6-7]。限于篇幅,文中只給出了部分對比分析圖形和結(jié)果分析。3.1測試數(shù)據(jù)的連續(xù)性圖1~圖3給出了臺(tái)風(fēng)“海鷗”和“鳳凰”以3s、10s、1min和10min為滑動(dòng)間隔的部分10min平均風(fēng)速和風(fēng)向角時(shí)程。結(jié)果表明,以3s、10s和1min為間隔的滑動(dòng)平均對實(shí)測風(fēng)場數(shù)據(jù)利用更加充分,如計(jì)算出的10min平均統(tǒng)計(jì)值更多,圖像連續(xù)性非常好,能較好地反映出平均速度、風(fēng)向角隨時(shí)間的連續(xù)變化趨勢和短時(shí)段內(nèi)的脈動(dòng)規(guī)律,從而更加充分地揭示出近地強(qiáng)風(fēng)平均風(fēng)速和風(fēng)向角的統(tǒng)計(jì)特性和脈動(dòng)規(guī)律。相對而言,從10min滑動(dòng)平均圖形很難獲得相應(yīng)的規(guī)律。另外,從圖1~圖3中可以看出,3s、10s滑動(dòng)平均與1min滑動(dòng)平均的連續(xù)性基本一致,都能很好的反映出10min平均風(fēng)速、風(fēng)向角隨時(shí)間的變化規(guī)律。因1min滑動(dòng)平均的計(jì)算量要比3s、10s滑動(dòng)平均的計(jì)算量小許多,所以在進(jìn)行風(fēng)場統(tǒng)計(jì)特性分析時(shí)采用1min滑動(dòng)平均方法更加簡潔。3.2流度延遲段內(nèi)的變化湍流度反映了風(fēng)的脈動(dòng)強(qiáng)度,為確定結(jié)構(gòu)所受脈動(dòng)風(fēng)荷載的關(guān)鍵參數(shù)。圖4~圖6給出了兩次臺(tái)風(fēng)以10s、1min和10min為滑動(dòng)間隔的部分10min時(shí)距的順風(fēng)向和橫風(fēng)向湍流度時(shí)程。由前述平均風(fēng)速和風(fēng)向角的對比分析可知,以3s滑動(dòng)間隔計(jì)算得到的結(jié)果非常密集,此處及下文不再給出。圖4~圖6結(jié)果表明,10min滑動(dòng)平均圖形中湍流度結(jié)果連續(xù)性差,很難反映出湍流度短時(shí)段內(nèi)的變化趨勢及其脈動(dòng)規(guī)律;以10s和1min滑動(dòng)平均的湍流度脈動(dòng)非常連續(xù),且具有一定的周期性,較好地反映出了湍流度在不同時(shí)刻的變化趨勢和脈動(dòng)規(guī)律,從而使研究人員獲得對風(fēng)場湍流特性更加清晰的認(rèn)識(shí)。圖7給出了臺(tái)風(fēng)“海鷗”以10s、1min和10min為滑動(dòng)間隔的10min時(shí)距的順風(fēng)向湍流度與平均風(fēng)速的關(guān)系。圖7結(jié)果表明,10min滑動(dòng)平均圖形中湍流度結(jié)果的數(shù)據(jù)點(diǎn)少、分布范圍小,其反映出的湍流度隨平均風(fēng)速的變化趨勢和分布特征沒有10s和1min滑動(dòng)平均結(jié)果好。尤其是在平均風(fēng)速較大時(shí)因數(shù)據(jù)點(diǎn)太少,10min滑動(dòng)平均結(jié)果基本不能反映出湍流度隨平均風(fēng)速的變化規(guī)律。因強(qiáng)風(fēng)的持續(xù)時(shí)間往往較短,而短時(shí)距滑動(dòng)平均對實(shí)測風(fēng)場數(shù)據(jù)利用更加充分,計(jì)算出的數(shù)據(jù)點(diǎn)多而密集,且其結(jié)果具有較好的連續(xù)性,從而能較好的揭示出風(fēng)速較大時(shí)湍流度隨平均風(fēng)速的變化規(guī)律。風(fēng)速越大對建筑結(jié)構(gòu)的作用也越大,所以風(fēng)速較大時(shí)湍流度隨平均風(fēng)速的變化規(guī)律往往對工程結(jié)構(gòu)的抗風(fēng)設(shè)計(jì)非常重要。另外,圖4~圖7結(jié)果也表明,10s滑動(dòng)平均與1min滑動(dòng)平均的連續(xù)性基本一致,因1min滑動(dòng)平均的計(jì)算量要比10s滑動(dòng)平均小,所以在進(jìn)行風(fēng)場湍流度統(tǒng)計(jì)特性分析時(shí)1min滑動(dòng)平均方法更加簡潔。3.3種滑動(dòng)平均的陣風(fēng)因子的平均差異風(fēng)的脈動(dòng)強(qiáng)度也可用陣風(fēng)因子來表示。圖8給出了臺(tái)風(fēng)“海鷗”以10s、1min和10min為滑動(dòng)間隔的10min時(shí)距的順風(fēng)向陣風(fēng)因子時(shí)程。總體看來,三種不同滑動(dòng)平均的陣風(fēng)因子的均值基本相同,但是三種不同滑動(dòng)平均的最大值卻有較大差別。如臺(tái)風(fēng)“海鷗”最大順風(fēng)向陣風(fēng)因子的10min滑動(dòng)平均值分別比10s和1min滑動(dòng)平均值小了18.4%和14.5%。另外,對比10s、1min和10min滑動(dòng)平均的結(jié)果,也可以獲得與湍流度的不同間隔滑動(dòng)平均統(tǒng)計(jì)特性對比中相似的結(jié)果。橫風(fēng)向陣風(fēng)因子的不同間隔滑動(dòng)平均統(tǒng)計(jì)特性對比分析也能獲得相似的結(jié)果。3.4湍流積分尺度湍流積分尺度是脈動(dòng)風(fēng)中湍流渦旋平均尺寸的量度,湍流積分尺度也是反映風(fēng)場特性的一項(xiàng)重要指標(biāo)。考慮到進(jìn)行3s和10s滑動(dòng)平均求解湍流積分尺度的計(jì)算量較大,圖9和圖10僅給出了臺(tái)風(fēng)“海鷗”的1min和10min滑動(dòng)平均的順風(fēng)向與橫風(fēng)向湍流積分尺度時(shí)程及其與平均風(fēng)速之間的關(guān)系,其中湍流積分尺度根據(jù)VonKarman譜擬合實(shí)測風(fēng)速譜得到3.5基于風(fēng)場特性的脈動(dòng)風(fēng)速功率譜對比分析脈動(dòng)風(fēng)速功率譜密度函數(shù)可以用來描述脈動(dòng)風(fēng)的特性,其在頻域上的分布可以描述湍流動(dòng)能在不同尺度水平上的能量分布比例。基于前述風(fēng)場特性的對比分析可知,基于不同時(shí)間間隔的滑動(dòng)平均法對脈動(dòng)風(fēng)速功率譜進(jìn)行對比分析時(shí),也將獲得脈動(dòng)風(fēng)速功率譜沿著風(fēng)場時(shí)程的連續(xù)變化規(guī)律以及在不同湍流度和風(fēng)速情況下的特征,從而獲得對其新的認(rèn)識(shí)。但基于不同時(shí)間間隔的滑動(dòng)平均法對脈動(dòng)風(fēng)速功率譜進(jìn)行對比分析時(shí),需要非常多的結(jié)果圖形才能完成,所以文中沒有給出相關(guān)結(jié)果圖形的對比和分析。4滑動(dòng)平均的風(fēng)速變化基于2008年影響溫州地區(qū)的臺(tái)風(fēng)“海鷗”和“鳳凰”的實(shí)測風(fēng)場資料,以3s、10s、1min和10min為間隔,進(jìn)行了近地面強(qiáng)風(fēng)10min滑動(dòng)平均統(tǒng)計(jì)特性的對比分析。研究結(jié)果表明,相對于以10min為間隔的滑動(dòng)平均,以3s、10s和1min為間隔的滑動(dòng)平均對實(shí)測風(fēng)場數(shù)據(jù)利用更加充分,其結(jié)果具有更好的連續(xù)性,能較好地反映出平