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        臺風(fēng)“娜基莉”影響下浦東地區(qū)近地風(fēng)特性

        2014-08-22 08:52:26夏波文
        科技視界 2014年35期
        關(guān)鍵詞:陣風(fēng)風(fēng)向湍流

        夏波文

        (同濟大學(xué)土木工程防災(zāi)國家重點實驗室,中國 上海200092)

        0 引言

        文獻(xiàn)[1]表明我國東南沿海地區(qū)每年多次遭遇臺風(fēng)登陸,產(chǎn)生了巨大的經(jīng)濟損失和人口死亡。發(fā)達(dá)國家關(guān)于臺風(fēng)的研究[2]開展比較早,并且已經(jīng)取得了一定的成果。我國對強風(fēng)的研究也已經(jīng)展開,如湖南大學(xué)的研究人員在海南等地建立了關(guān)于臺風(fēng)的實測基地[3],史文海等[4]在福建省幾個沿海城市也展開了對臺風(fēng)的觀測研究。

        本課題組根據(jù)對東南沿海地區(qū)遭受風(fēng)災(zāi)的調(diào)查研究,在上海浦東國際機場附近建立了同濟大學(xué)實測基地,開展起對上海地區(qū)遭受臺風(fēng)的研究,該實測系統(tǒng)主要包括一棟可變坡度低矮足尺實測房和大小兩座測風(fēng)。利用測風(fēng)塔,獲得了一定臺風(fēng)實測數(shù)據(jù)的累積。本文主要根據(jù)40m測風(fēng)塔上10m高度處獲得的2014年臺風(fēng)“娜基莉”實測風(fēng)數(shù)據(jù),分析了臺風(fēng)“娜基莉”影響下浦東地區(qū)的近地層風(fēng)特性,研究成果將為日后東南沿海地區(qū)的結(jié)構(gòu)抗風(fēng)設(shè)計提供參考。

        1 現(xiàn)場實測概況

        1.1 臺風(fēng)“娜基莉”介紹

        2014年第12號臺風(fēng)“娜基莉”于7月17日上午在馬紹爾群島西部海面上生成,8月1日上午2時加強成為熱帶風(fēng)暴,并出現(xiàn)雙中心互旋,并于8月3日上午5時減弱為熱帶低壓。“娜基莉”的詳細(xì)路徑如圖1。

        圖1 臺風(fēng)“娜基莉”路徑Fig.1 Track of typhoon Neoguri

        1.2 試驗儀器及設(shè)備

        測風(fēng)塔位于北緯 31°11′46.36″;東經(jīng) 121°47′8.29″,緊鄰臨海泵站入???,實物布置如圖2。根據(jù)試驗的要求,將R M Young 81000型螺旋槳式風(fēng)速儀安裝在測風(fēng)塔10m高度處,用以采集來流風(fēng)速數(shù)據(jù)。風(fēng)速儀向正南安裝,風(fēng)向角定義為北方為0°,按俯視順時針增大。

        圖2 測風(fēng)塔實物圖Fig.2 The physical mapsof the tower used to measure wind data

        2 平均風(fēng)速和風(fēng)向

        本文采用“矢量分解法”[5]對實測數(shù)據(jù)進(jìn)行處理,得到了臺風(fēng)“娜基莉”影響下10m高度處風(fēng)速儀采集數(shù)據(jù)的平均風(fēng)速、平均風(fēng)向。

        圖3 10min平均風(fēng)速和平均風(fēng)向隨時間的變化Fig.3 10-minute meanwind speed and mean wind angle

        圖3給出了臺風(fēng)“娜基莉”擦過上海時10m高度處10min平均風(fēng)速、平均風(fēng)向角隨時間的變化(限于篇幅,本文只給出了8月1日14時32分開始往后的42個小時的數(shù)據(jù))。從圖中,可以看出8月1日14時32分開始到8月2日凌晨4點左右,風(fēng)速處于下降段,風(fēng)速的峰值為10.5m/s左右。此后風(fēng)速開始又開始上升,在8月2日7點左右出現(xiàn)明顯的峰值,為9.5m/s。此后臺風(fēng)影響逐漸減弱,風(fēng)速逐漸減小。

        10min平均風(fēng)向角的變化階段和平均風(fēng)速基本一致。在8月1日14時32分到8月2日凌晨4點間風(fēng)向角從50°逐漸減小到0°;從8月2日凌晨4點開始到8月2日19點,風(fēng)向角基本穩(wěn)定在340°左右;此后臺風(fēng)遠(yuǎn)離,風(fēng)速急劇減小,風(fēng)向角穩(wěn)定在280°左右。

        3 近地風(fēng)脈動特性

        3.1 陣風(fēng)因子

        陣風(fēng)因子定義為短時距平均風(fēng)速的峰值隨較長參考時間平均風(fēng)速的比值,公式如下:

        圖4反映了陣風(fēng)持續(xù)時間為3s時,臺風(fēng)“娜基莉”影響下10m高度各向陣風(fēng)因子隨10min平均風(fēng)速的關(guān)系??梢园l(fā)現(xiàn),縱向的陣風(fēng)因子明顯大于橫向和豎向的陣風(fēng)因子;橫向的陣風(fēng)因子稍大于豎向陣風(fēng)因子;縱向、橫向和豎向陣風(fēng)因子隨10min平均風(fēng)速的增大呈減小的趨勢;10m高度的縱向陣風(fēng)因子均值為2.5,橫向陣風(fēng)因子的均值0.4,豎向陣風(fēng)因子的均值為0.2。

        圖4 10m高度各向陣風(fēng)因子隨平均風(fēng)速的變化Fig.4 Anisotropy gust factor at 10 meters height versusmean wind speed

        3.2 湍流度

        湍流強度是衡量湍流強弱的重要指標(biāo),也是確定結(jié)構(gòu)風(fēng)荷載的重要參數(shù)之一,定義為10min內(nèi)脈動風(fēng)速的標(biāo)準(zhǔn)方差和相應(yīng)時距內(nèi)縱向平均風(fēng)速的比值,表達(dá)式為:

        式中,σi為脈動風(fēng)速的的標(biāo)準(zhǔn)差;u,v,w分別表示為縱向、橫向、豎向脈動風(fēng)速分量。

        圖5給出了臺風(fēng)“娜基莉”影響下10m高度處各向湍流度隨10min平均風(fēng)速的變化??梢园l(fā)現(xiàn),縱向、橫向和豎向的湍流度隨平均風(fēng)速的增大呈現(xiàn)減小的趨勢;縱向湍流度大于橫向湍流度,而橫向湍流度大于豎向湍流度;縱向湍流度為0.25,橫向為0.19,豎向為0.13。

        3.3 湍流積分尺度

        湍流在物理結(jié)構(gòu)上可以被認(rèn)為是由各種不同尺度的旋渦疊合而成的流動。風(fēng)工程中經(jīng)常采用以湍流積分尺度的形式表征各種湍流旋渦,表達(dá)式為:

        基于實際獲取的數(shù)據(jù)難以在空間內(nèi)滿足要求,目前湍流積分尺度的研究多采用簡化的方法。本文采用自相關(guān)函數(shù)法,將空間多點轉(zhuǎn)化為時間單點自相關(guān),同時積分上限取到自相關(guān)系數(shù)降到0.05的點[6],式(3)被轉(zhuǎn)化推廣到三個方向上:

        式中,Li表示縱向、橫向和豎向的湍流積分尺度;Ri(τ)表示各向脈動風(fēng)速自相關(guān)函數(shù)。

        圖7給出了臺風(fēng)“娜基莉”影響下10m高度各向湍流積分尺度隨平均風(fēng)速的變化。從圖中可以看出,縱向、橫向和豎向的湍急積分尺度隨平均風(fēng)速的增大而減小;10m高度處,這與王旭等對臺風(fēng)“??钡难芯恳恢?;湍流積分尺度的比值與黃鵬等對臺風(fēng)“梅花”的研究[7]一致,為 1:0.6:0.09。

        圖5 10m高度各向湍流度隨平均風(fēng)速的變化Fig.5 Anisotropy turbulence intensity at 10 meters height versusmean wind speed

        4 結(jié)論

        本文根據(jù)浦東實測基地測得的2014年第12號臺風(fēng) “娜基莉”影響下的浦東地區(qū)近地風(fēng)速,研究了10米高度處近地風(fēng)特性,并得到如下結(jié)論:

        (1)縱向的陣風(fēng)因子明顯大于橫向和豎向的陣風(fēng)因子;橫向的陣風(fēng)因子稍大于豎向陣風(fēng)因子;縱向、橫向和豎向陣風(fēng)因子隨10min平均風(fēng)速的增大呈減小的趨勢。

        (2)縱向、橫向和豎向的湍流度隨平均風(fēng)速的增大呈現(xiàn)減小的趨勢;縱向湍流度大于橫向湍流度,而橫向湍流度大于豎向湍流度。

        (3)10m高度處,縱向、橫向和豎向的湍急積分尺度隨平均風(fēng)速的增大而減小,湍流積分尺度的比值為 1:0.6:0.09。

        [1]黃鵬,陶玲,全涌,顧明.浙江省沿海地區(qū)農(nóng)村房屋抗風(fēng)情況調(diào)研[J].災(zāi)害學(xué),2010,25(4):90-95.

        [2]Durst C S.Wind speeds over short periods of time[J].The Meteorological Magazine,1960,89:181.

        [3]胡尚瑜,李秋勝.低矮房屋風(fēng)荷載實測研究(Ⅰ):登陸臺風(fēng)近地邊界層風(fēng)特性[J].土木工程學(xué)報,2012,45(2):77-84.

        [4]史文海,李正農(nóng),張傳雄.溫州地區(qū)近地強風(fēng)特性實測研究[J].建筑結(jié)構(gòu)學(xué)報,2010,31(10):34-40.

        [5]項海帆.現(xiàn)代橋梁抗風(fēng)理論與實踐[M].北京:人民交通出版社,2005,5.

        [6]Xiao Yiqing,Sun Jianchao,Li Qiusheng.Turbulence integral scale and fluctuation wind speed spectrum of typhon:an analysis based on field measurements[J].Jouranal of Natural Disasters,2006,15(5):45.

        [7]王旭,黃鵬,顧明.基于臺風(fēng)“梅花”的近地層湍流積分尺度現(xiàn)場實測分析[J].同濟大學(xué)學(xué)報:自然科學(xué)版,2012,40(10):1491-1497.

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