移动型下击暴流的模型化、参数反演及输电塔线体系风致响应研究

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随着气候变化的加剧,雷暴等极端天气日益增多。下击暴流是雷暴天气中强下沉气流冲击地面形成的一种灾害性强风,其发生频率高、破坏性强,对工程结构,尤其是输电塔线体系的抗风安全性造成了巨大威胁。随着电网建设的不断发展,输电线路在总里程和空间覆盖范围上显著增加,同时,其遭遇下击暴流等极端气象条件的概率也大幅提升。近年来,针对下击暴流风场及输电塔风振响应的研究虽然取得了一定成果,但限于下击暴流及其荷载作用机理的复杂性,仍存在一些问题亟待解决。论文围绕移动型下击暴流的风场特性、分析模型、参数反演以及输电塔线体系风振响应等方面开展了深入系统的研究,主要研究内容及成果如下:(1)基于喷口可移动的冲击射流试验装置模拟静止型和移动型下击暴流风场,使用眼镜蛇风速探头采集风场信息。对于移动型下击暴流,通过信号处理将时变平均风从总风时程中提取出来,进而分离出非平稳脉动风速。通过对风速时程的分析处理,给出了静止型和移动型下击暴流风场中水平平均风速沿竖向、径向和横向的分布特征,并对比了两类风场下的脉动风特性,包括:湍流度、功率谱以及概率密度分布等。研究表明:两类风场的差异主要体现在平均风部分,且平均风速分布主要受风暴移动速度与喷口射流速度之比(Vtr/Vjet)的影响。(2)基于冲击射流模型,采用大涡模拟方法对静止和移动型下击暴流开展CFD数值模拟研究。对比了两类风场的发展过程、风速时变特性以及风剖面特征,探讨了Vtr/Vjet对风场结构的影响规律,并验证了矢量叠加原理在移动型下击暴流模拟中的适用性。相关结果表明:移动型下击暴流数值模拟得到的风速和风向时程与实测风场记录取得了较好的一致性;在风场发展的初期和成熟阶段,风速分布有所不同;风暴移动使近地面风场丧失了中心对称性,使风暴前缘出现了弓形分布的极值风速区域;随着Vtr/Vjet的增大,风场的非中心对称性越发显著,风暴前缘最大水平风速所在径向位置逐渐向风暴中心靠拢,峰值风速逐渐加强,风暴后缘的风速分布则呈现相反的变化规律;矢量叠加原理在移动型下击暴流的简化分析中并非完全适用,当Vtr/Vjet较大时,矢量叠加原理会引起较大误差。(3)对现有的静止型及移动型下击暴流径向风剖面模型进行了梳理,指出了现有模型存在的不足。而后,在移动型下击暴流风场中摒弃矢量叠加原理,从风场的形成过程入手,提出了同时适用于静止型和移动型下击暴流的改进经验模型,并以CFD数值模拟结果为基础,对模型进行了完善。最后,将改进模型与现有模型及CFD结果进行对比,验证了改进经验模型的有效性。(4)提出了下击暴流近地面水平风速场的重构模型,水平风速被分解为下击暴流径向风速与环境风的矢量叠加,同时考虑了风暴的强度衰减;而后,建立了下击暴流风场参数反演的分析框架,并提出了基于遗传算法和非线性规划相结合的风场参数快速识别方法;最后,通过对几组时程数据的参数反演,验证了所提方法的准确性和高效性。(5)建立了单塔和塔线体系的有限元模型,基于本文提出的下击暴流改进经验模型、Wood模型以及Chen等提出的脉动风模拟方法生成了下击暴流风荷载时程。采用时域动力分析方法,研究了单塔和塔线体系的风振响应,并给出了二者在下击暴流作用下的动力放大系数,探讨了塔线耦合效应对塔架动力响应的影响。此外,还探讨了塔线体系风致响应对最大水平风速所在高度及Vtr/Vjet的敏感性。相关研究表明:下击暴流作用下,单塔和塔线体系均以背景响应为主,脉动风的动力放大系数可取为1.3;塔线体系的各类响应随最大水平风速所在高度的增加而先增大后减小,随Vtr/Vjet的增大而单调增大。在对下击暴流作用下输电塔的临界荷载工况进行评估时,风暴的移动效应也应作为重要影响因素予以考虑。
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