矩形结构非高斯风荷载特性研究

对矩形建筑结构表面的风压进行了现场实测,获得了有效的非高斯风压数据。样本的概率密度分布、特征统计、相关性分析表明：建筑结构迎风面和非迎风面的脉动风压均表现出不同程度的非高斯特征,非迎风面的非高斯特征强度相对较强表现为负偏,而迎风面的非高斯特征强度较弱存在着负偏和正偏;迎风面非高斯脉动风压的统计平均相关性好于非迎风面,水平测点非高斯脉动风压之间存在着相位角。根据实测非高斯脉动风压,最后采用最小化预测误差自回归（AR）对样本进行了统计平均功率谱估计,并拟合出有效的非高斯脉动风压功率谱函数,建立了拟合参数与峰值频率之间的关系,峰值频率的取值取决于非高斯特征的强弱。     

基于现场实测的大跨度膜结构风场特性分析

基于实测数据,对强风作用下某大跨度膜结构进行了近地风场特性、风压特性与非高斯特性分析。该工程对大跨度膜结构进行了多点(21点)同步风压实测,同时进行同步风速风向实测。依靠这些数据得到了平均风速、平均风向、纵向、横向脉动风速、阵风因子、湍流度、风压系数、风压相关性、概率密度分布、高阶特征统计量及功率谱密度等参数。实测数据分析表明:在强风作用下大跨度膜结构膜边缘处的风压呈现出明显非高斯特性,且为峰度值大于3的超高斯随机过程;膜边缘测点上下风压呈负相关;该实测风压中低频成分幅值较大,同时,膜结构各位置所受风荷载连续冲击所隔的时间间隔相似。     

半球形屋面结构风荷载特性试验研究

球形屋面网壳结构是常用的大跨结构屋面形式.在同济大学TJ-3大气边界层风洞中,通过1∶200比例的刚性测压模型,研究了A,B两类风场下半球形屋面结构表面的平均以及脉动风压分布特征.试验结果表明风场类型对平均风压分布影响较小,但对脉动风压分布会有相对较大的影响.同时通过研究子午线上平均及脉动风压分布,表明结构顶部的突出圆顶（采光顶）将增大结构局部风荷载,设计时需特别考虑.最后给出了适合工程应用的分块体型系数,以供结构工程师设计参考.     

基于实测数据的近地层风特性分析研究

根据世界风能技术中心实际测风塔测到的大风天气下近地层不同高度处的风速风向数据,对该风场的平均风速与风向、湍流度、阵风因子、湍流积分尺度和脉动风速功率谱进行分析。结果表明：当平均风速曲线出现较大的尖峰时,平均风向会出现低谷;顺风向湍流强度和湍流积分尺度都明显大于横风向和竖风向相应的湍流强度和湍流积分尺度,各分量比值大致为1∶0.121 3∶0.188 6;文献［1?2］中建议的经验公式均能较好地反映顺风向阵风因子与湍流强度的变化关系,并借助实测数据通过曲线拟合给出了相应的经验公式;顺风向湍流积分尺度有随平均风速的增大而减小的趋势,而竖风向湍流积分尺度随平均风速的增大呈幂指数增长;纵向实测脉动风速功率谱与Von Karman和Kaimal经验谱吻合较差,竖向脉动风速功率谱与Panofsky经验谱在高频段有所偏差,通过拟合得到的经验谱与实测谱更为接近。     

开口状态及干扰对柱面结构风荷载的影响

为满足储煤量、工艺及环保的要求,柱面煤棚结构常常成对出现且在端部和两侧采用不同形式的开口,煤棚间的相互干扰和开口状态对风荷载的影响效应目前尚不明确。针对此问题,通过刚性模型测压试验,研究了端部、两侧开口状态以及煤棚间距对其结构表面风荷载的影响,通过对比结构整体力系数、体型系数分布及脉动风压系数,给出了风向角、开口状态及间距对风荷载的影响规律,分析了其产生机理,并给出了该类结构的风荷载建议。结果表明:半封闭的端部开口方式能有效减小结构整体风荷载,且脉动风压值最小;两侧30%开孔率的开口形式,结构表面的风荷载分布更均匀,减小结构的脉动风压;煤棚之间的干扰对平均风荷载主要为遮挡效应,对脉动风荷载影响不显著。     

扁平流线型箱梁涡激振动及气动力特性分析

为了研究扁平流线型箱梁涡激振动及气动力特性受附属构件的影响,选取某准流线型桥梁主梁为研究对象,通过增减模型的附属构件来模拟裸梁和非裸梁2种断面,进行了不同风攻角下的风洞测压和测振试验。结果表明：扁平流线型箱梁的涡激振动特性受模型附属构件的影响较大,栏杆断面在正攻角下更易发生涡激振动;在相同攻角和风速情况下,栏杆断面存在更为明显的卓越频率,说明模型附属构件会对扁平流线型箱梁的旋涡脱落产生较大影响;扁平流线型箱梁平均风压系数受模型断面的影响较大,但脉动风压系数受模型断面和风攻角的共同影响;不同模型断面会对扁平流线型箱梁的平均三分力系数造成影响,但其变化趋势主要与风攻角有关。     

敞开型大跨度屋盖结构风振响应的风向效应

基于刚性模型风洞试验,在不同风向角下对巴哈马国家体育场结构的表面风压进行了测量,根据模型测压结果,对模型的表面风压分布特点与机理进行了分析.在计算出屋盖平均风荷载作用下响应的同时,根据随机振动理论并结合结构的整体有限元模型,编制程序计算了屋盖结构的风振响应.计算与分析表明,对于敞开型大跨度屋盖,在不同的风向条件下由于建筑物的干扰效应不同,引起气流绕屋盖结构所形成的风场有着很大的不同,风向不仅影响结构在平均风荷载作用下的响应,也影响结构在脉动风荷载作用下的风振响应,因此对此类屋盖结构进行抗风验算与评估时应充分考虑风向的影响.     

基于大涡模拟的空气绕流微细管流动特性研究

在1000≤Re≤7000范围内,采用大涡模拟对空气绕流1mm微细管进行了数值研究,通过升阻力特性和时均雷诺应力分布等湍流统计特性着重研究微细管表面受力特性以及极近尾流区流动特性。结果表明,在获取空气绕流微细管湍流统计特性时,统计70个涡脱周期的时间足以获得可靠的时均统计结果;随着临界雷诺数的增大,时均阻力系数和微细管表面压差阻力变化趋势相同先减小后增大,表面摩擦阻力减小,流动分离提前;此外极近尾流区湍流脉动强度在雷诺数增大到5000后,继续增加雷诺数对极近尾流区湍流发展无明显促进作用。     

TTU标模构建WSN的风压数值模拟研究

金属面板广泛应用于低矮建筑的屋面维护系统中,但受强风影响会发生变形、被风掀飞等损坏情况,因此在关键部位布置传感器,构建无线传感器网络(WSN,Wireless Sensor Network)系统进行结构健康监测具有重要意义。以标准低矮建筑TTU(Texas Tech University Building Model)模型为研究对象,采用RNG k-ε湍流模型,应用计算流体动力学软件Fluent 14.5对其三维定常风场进行数值模拟,分析不同风向角下模型表面的风压分布。分析结果显示了建筑表面正负风压分布最大区域,该结果为构建低层建筑屋面无线传感器监测网络的传感器布设提供依据。     

水平轴风力机叶片在风沙流场中的数值模拟

采用计算流体力学软件FLUENT,选用SSTκ-ω湍流模型对750kW水平轴风力机叶片进行三维定常流风场和风沙离散项的数值模拟,得出叶片周围风场绕流特性。模拟结果表明风力机叶片迎风面受风压最大,风绕流风力机叶片发生分离和涡流现象。在风沙离散项中风带动沙粒的不均匀性使风力机叶片周围沙粒迹线出现分离,在叶片中部及叶尖处浓密。因此,应在风力机迎风面中部及叶尖处增设耐磨层,防止风沙频繁地区风沙对叶片产生的风蚀现象。     

Mann风湍流模型研究及修正

湍流是风的特性之一,也是风力机动载荷的主要来源。国际标准IEC-61400-1中推荐使用Mann风湍流模型模拟脉动风速。Mann模型涉及的理论非常复杂,一般的设计人员难于理解,应用时也难于入手。为此,本文以文献[3,7]为基础,对Mann风湍流模型进行了详细推导,重点阐述了该模型理论上的简化。发现了文献[3,7]中参数ζ1和ζ2表达式不准确,本文提出了其修正表达式,对比显示修正后的参数大幅提高了风功率谱低频范围的模拟精度。利用改进后的参数模拟Kaimal经验风谱,以谱理论为准则,讨论了空间点数对数值模拟脉动风速的影响,得到了模拟各个风速分量时空间点数的推荐值。利用空间点数的推荐值,得到了空间三维脉动风速。     

典型窄基输电塔风致响应气弹模型风洞试验

首先,采用离散刚度法,设计制作了典型窄基输电塔气动弹性模型;然后,通过大气边界层风洞试验,对窄基输电塔不同高度及风向下的位移、加速度响应特性进行了测试分析;最后,基于风洞试验结果计算了窄基输电塔风振系数并与规范结果进行了比较。结果表明,窄基输电塔位移均值响应主要为顺风向;顺、横风向脉动位移、加速度响应值都较大,随风向变化不明显,呈上下波动趋势;高度变化对脉动位移和加速度的响应影响略有不同。此外,根据中国荷载规范给出的输电塔横担处的风振系数值大于本次试验结果。     

超声波换能器测风阵列的优化设计

为了减弱风场在超声波换能器测风阵列中产生湍流,降低湍流对信号采集精度的影响,分析了换能器阵列影响流场的因素,采用6个收发一体的超声波换能器,设置独立的3条测风路径,根据不同来流方向,建立了风速计算模型,结合换能器晶片的工作特性,改进测风阵列的设计,降低了阴影效应的影响。利用FLUENT软件,通过设置不同的雷诺数、来流风速和风向参数,仿真了流场在阵列中分布特性,得到阵列速度云图和测风路径速度变化图,验证了改进后的测风阵列性能有效提升,说明了所设计阵列能满足测风精度提高的要求。     

高耸塔器顺风向风振响应与疲劳寿命数值分析

针对现行设计标准中未曾考虑沿海等地区强风（或台风）频发的极端条件下,顺风向振动可能导致的高耸塔器疲劳问题,基于谐波叠加法、随机振动理论及脉动风速频域规律,利用MATLAB和ANSYS软件模拟,获得了某一典型高耸塔器在各风速下的顺风向脉动风速时程样本及风振时程响应,采用雨流法统计了危险点应力幅值与循环周次,根据Miner疲劳累积损伤理论估算了疲劳寿命。结果表明：模拟脉动风速时程曲线经自功率谱和自相关函数检验可较好地反映真实风速特征;随着风速的增加,塔器风振时程响应的最大值和均方根呈指数关系增大,且前者略大于JB／T4710--2005中的计算结果;9级风以下顺风向振动引起的塔器疲劳损伤不大,但多次较强台风作用可能会导致明显的疲劳损伤甚至失效。此研究旨在为多风地区高耸塔器的合理设计提供参考。     

风向自适应型涡激振动压电俘能器的试验研究

风能在自然界中是一种储量丰富、可持续利用的清洁能源。利用压电俘能器将风能转换为电能代替传统化学电池为低功耗电子设备持续供电已经获得了国内外学术和工业领域的认可。针对自然环境中风场的风向和速度时变特点,提出一种新颖的风向自适应型涡激振动压电俘能器。本俘能器可以根据风向的变化,自主调节迎风角度,从而使得俘能器能够在不同方向来风激励时拥有良好的输出性能。其主要由两个L型压电俘能梁、轴承底座、旋转固定座、导向翼等部分组成。通过搭建的小型风洞测试系统,对俘能器样机进行了测试和分析：受不同方向来风激励时,俘能器的输出功率绝对积分面积的平均相对偏差不大于6.1%;俘能器的风向自适应开启状态相对关闭状态,两个压电俘能梁的输出功率绝对积分面积平均值分别提升了468.2%和492.3%。自适应型压电俘能器的研究结果对提高俘能器的环境适应能力和增强输出性能有良好的参考价值。     

基于三维风模型的风力机叶片载荷计算和偏移分析

研究了风剪切、塔影效应和湍流影响下的叶片有效风速模型和气动载荷的计算方法。并以额定功率为2MW水平轴三叶片风力机为例,应用Bladed软件,分别在考虑风剪切、塔影效应和考虑风剪切、塔影效应、风湍流2种情况下,对叶素挥舞方向(即垂直于风轮平面的方向)的风速分量、摆振方向(即平行于风轮平面的方向)的风速分量,相对风速,摆振载荷和挥舞载荷,以及叶尖在摆振和挥舞方向的偏移进行计算和仿真分析。     

应用独立分量分析的激光测风雷达湍流频谱分解

针对大型风力发电机机组中常见的脉动湍流、风机尾流与涡流等湍流信号,研究了利用自然梯度下降的独立分量分析方法的湍流频谱分离效果,以区分中心风速与湍流信号,提高风机机组的综合工作效率。首先分析了风机组中常见湍流信号的后向散射与频谱分布特点,然后依据这些特点设计了对应的独立分量分析模型。在仿真结果符合要求的基础上,进行了双目激光雷达天线的风速采集与实际分离效果检测。实验结果表明,在大气折射率结构常数C2n≤10-14同时广义大气常数α≥4的通常情况下,利用双目信号能够分离出一个湍流中心和一个中心风速。对1 s内两个谱峰的波动范围进行统计,获得(2.59±0.05)MHz的中心风速以及(1.22±0.19)MHz的湍流中心估计,且二者的平均信噪比分别为25.93 dB和31.01 dB,能够在获得稳定的中心风速估计的同时得到一个较为稳定的湍流中心估计。     

风能资源观测系统

全球性的能源危机和气候变化．驱动了风力发电在世界范围内迅速发展,探明风能资源是大规模发展风电的关键。本文介绍了一种用干风能资源观测的系统,其主要特点是可靠、稳定、经济。测量的要素包括风、温度、湿度、气压、三维超声风等。测量数据除了存储在本地大容量的CF卡中．还可以通过GPRS实时远程传输。整个系统采用太阳能供电,功耗很低,被广泛地应用于全国风能资源调查项目,并已在全国几十个省市安装使用。