城市地貌高空台风麦德姆特性实测分析

城市地貌高空台风麦德姆特性实测分析

0湍流特性分析空气边界层是人类活动的主要场所。该建筑受到空气边界层空气流动的影响。其流量特征的研究是风景风划工程的主要内容之一。2000年庞加斌等人湍流积分尺度与风场数据长度和平稳程度有关本文基于城市高空“麦德姆”台风过程中长时间序列的实测数据,共选取五个时距(30s、1min、5min、10min和20min)进行分析,得到平均风速、风向、湍流度、阵风因子和脉动风速谱等湍流特性。然后采用两种基于Taylor假定的方法来计算湍流积分尺度,分别从平均风速、湍流度和阵风因子等要素,来探讨不同时距对城市高空台风的湍流积分尺度的影响,确定出比较合理、稳定的尺度分析时距。1风速仪和数据采集实测风速仪设置在温州市华盟商务广场顶部,该楼东南面是一片开阔地,西北面存在少量的高层,属于城市市郊地貌,试验楼周围环境见图1。在华盟商务广场顶部东南角设置一台YONG型机械式风速仪,将其固定在楼顶9m高的直杆上,风速仪离地高度约为175m。风速仪正北安装,风向角定义北风为φ=0°,按俯视顺时针增大,即东风为φ=90°,其他角度顺时针依此类推。采用优泰数据采集仪进行数据采集,采样频率为25.6Hz。“麦德姆”台风于2014年7月23日15时在福建沿海登陆,进入内陆之后再进入温州市区,图2为“麦德姆”台风的移动路径。台风登陆进入市区之后,由于受到城市下垫面的影响,实测得到的湍流度较大,且顺风向湍流度大于横风向湍流度2风场特征的测量2.1平均风速和风向根据下列公式计算风速的两个分量(如图4所示)。平均风速U和平均风向角θ为:在一定时距内,顺风向和横风向脉动风速根据(1)~式(6),图5给出了“麦德姆”台风10min平均时距下平均风速、平均风向角时程。图6给出了台风“麦德姆”10min平均时距下整个样本的顺风向、横风向的脉动风速。10min时距下平均风速均值为12.99m/s,最大值为14.65m/s,平均风向角为124.54°。2.2min平均时距湍流度与脉动风速均方根、平均风速的关系为:其中σ图7给出了10min平均时距下顺风向和横风向湍流度随平均风速的变化情况,其均值分别为0.238和0.189。目前有多个经验公式用于估算顺风向湍流度,如我国荷载规范式中I2.3矩阵矩阵因素阵风因子G本文阵风持续期取t2.4动脉风速谱普遍认为VonKarman谱能准确地反应脉动风的统计特性。横风向式中:S3流量积分布模式湍流积分尺度与数据的长度和平稳程度有关:式中:R3.1匡恒假设如果湍流旋涡以平均风速U迁移,则脉动速u(x式中:R3.2指数衰减率计算方法实测过程中,根据Taylor假设,将多点测量简化为单点测量。本文采用两种方法计算,如下所示:(1)根据式(14)计算,式(14)的积分上限取到R(2)根据Taylor假设,自相关函数也符合指数衰减率3.3边界条件下纵向积分尺度在采样频率一定(25.6Hz)的情况下,为研究平均时距对湍流积分尺度的影响,将实测数据样本(时长6.7h)按平均时距分割成独立的子样本进行分析。共选取5个不同时距,分别为30s、1min、5min、10min和20min,其子样本总数分别为794、396、79、39和19,并分析了不同平均时距下的风场特性(平均风速、纵向湍流度、纵向阵风因子),见表1和表2。利用上述自相关函数直接积分法和指数衰减拟合法分别计算纵向湍流积分尺度L从表1和表2可以看出,时距小平均风速极值大,湍流度小但其变异系数(变异系数为均方差与均值的比值)大,表现为不稳定;时距大平均风速极值小,湍流度大但其变异系数小,最为稳定。因此可知随着时距的增大,湍流度的均值增大,但其变异系数却变小,这说明随着时距的增大,湍流度增大,却更加稳定。随着时距的增大,阵风因子均值增大,但其变异系数却基本相同,这说明随着时距增大,阵风因子的均方差与均值成线性关系。为了得到这样一时距,在其下计算得到的风速较大,湍流度和阵风因子较小,变异系数也较小。综上分析可知,当时距为5min时最为符合,其湍流度和阵风因子分别为0.233和1.379。自相关函数积分法和指数衰减拟合法均是基于Taylor假定对自相关函数进行积分。从表3可以看出,时距的选取对湍流积分尺度有很大的影响。时距为30s时,积分尺度主要分布在50m以内。两种方法计算的积分尺度均值分别为14.41m和14.48m;当时距为1min时,积分尺度均值分别为31.36m和27.62m;当时距为5min时,积分尺度均值分别为120.46m和66.36m,较前两个时距显著增大,这三个时距下的积分尺度分布较为集中;当时距为10min时,积分尺度均值进一步增大到166.84m和110.12m,但两种方法得到的积分尺度分布均较为离散;当时距为20min时,此时距下的积分尺度更为分散,其均值达到最大,分别为215.97m和119.38m。可以看出,随着时距的增大,积分尺度的分布范围更广,更为分散,但其对应的积分尺度更大,也就是说明积分尺度随着时距的增大而增大。从图11可知,在相同平均风速下,方法一得到的积分尺度随着平均时距的增大而增大。方法二中平均风速为14m/s、12m/s时得到的纵向湍流积分尺度随着时距的增大而增大;平均风速为13m/s时呈现先增大后减小的趋势、在时距5min下得到的尺度最大。总体上看,在平均风速相同的情况下,积分尺度随着平均时距的增大而增大;在相同时距下,平均风速越大其积分尺度越大。由图11和图12可以看出,两种方法计算得到的湍流积分尺度分布形状类似,这说明,自相关函数能较好地满足指数衰减率。从图12可以看到,利用两种方法计算得到的湍流积分尺度随着平均时距的增大而增大。两种方法得到的纵向湍流积分尺度的比例分别为0.169∶0.323∶1.000∶1.418∶1.810和0.158∶0.309∶1.000∶1.191∶1.082。当时距为30s时,两者差别不大,但随着时距的增大,二者的湍流积分尺度之差越大。两种方法计算得到的积分尺度均方差在30s和1min两个时距基本相等,随着时距的增大,方法一递增,方法二先增大后减小,极值点出现在时距为10min时,这也说明了随着时距的增大,积分尺度的分布范围更广泛。当时距为30s时,两种方法的变异系数基本相同,说明其稳定性相差无异,但随着平均时距的增大,方法一的变异系数随着平均时距增大呈现先减小后增大的趋势,方法二的变异系数随着时距的增大呈现出先增大后减小的趋势,这也从另一个方面证实了时距对积分尺度的影响。变异系数曲线的拐点都出现在时距为5min下,可以看出自相关函数积分法在稳定性方面明显优于指数衰减拟合法。本文从平均风速、湍流度和阵风因子等湍流特性探讨不同时距对城市高空台风的湍流积分尺度的影响。综上所述,当平均时距为5min时,风速大、湍流度和阵风因子小、其变异系数小,此时距下得到的强风特性最为合理;此时距计算得到的积分尺度分布最为集中,积分尺度也较大,其中自相关函数积分法得到的方差最小。因此当平均时距为5min时,采用自相关函数积分法得到的湍流积分尺度最为合理。4湍流度较大时距的比较通过对城市地貌高空台风“麦德姆”观测数据分析得到了其湍流特性,并探讨了在两种计算方法下湍流积分尺度与平均时距的关系。得到以下结论:(1)分析比较5种时距下台风特性。时距小,平均风速大,湍流度小,但其变异系数大,不稳定;时距大,平均风速小,湍流度大,但其变异系数小,最为稳定。综合比较,当时距为5min时,风速较大,湍流度和阵风因子较小,其变异系数也较小,最为合理。(2)在相同平均风速下,积分尺度随着平均时距的增大而增大;同一时距下,平均风速越大其积分尺度越大。两种方法计算得到的湍流积分尺度分布形状类似,自相关函数能较好地满足指数衰减率。(3)自相关函数积分法和指数衰减拟合法均是基于Taylor假定,前