复杂地形地貌桥址区风特性现场实测与数值模拟结果

龙江大桥采用了双肢混凝土桥塔，选定风观测仪器安装高度处两个塔肢水平中心距离为32.92 m。根据上述原则，计算区域内共划分网格总数为63万个。采用k-ω湍流模型对计算区域内的风场流动进行分析。图5.4计算区域及网格划分

理论教育 2023-08-19

复杂地形地貌桥址区风特性的现场实测与数值模拟研究

为重点分析桥址区的风场，在桥址区周围局部网格划分较密，远离桥址区的区域划分相对较稀，计算区域共划分231万网格。图4.7桥址区地形三维视图图4.8计算区域海拔高度图4.9计算区域网格划分如图4.10所示为计算区域中地表网格划分示意图。

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地貌桥址区风特性实测与数值模拟结果

由图4.19可知，考虑空气密度梯度后，地表温度有进一步升高的趋势，这是由于计算域中的空气总质量较不考虑空气密度梯度时有明显减小，因此，空气对流带走热量的能力有所减弱。考虑空气密度梯度和温度梯度后整个断面上的对流更强烈，导致整个断面温度更趋于不均匀，并且高空的冷空气有明显下沉现象，导致地表温度有所降低。这3个工况桥轴线剖面上的空气密度如图4.21所示。

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考虑时间效应的风特性现场实测与数值模拟

图4.32风速和温度随时间变化为考察一天中不同时刻桥位处的风速和温度变化规律，在FLUENT中设置了相应的计算工况。该计算结果进一步表明，桥位处的风速波动规律与桥位处的温度变化密切相关，同时也说明桥位处的日常大风与桥位处的热力效应密切相关。图4.34跨中处风剖面随时间变化图4.35地表温度随时间变化

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现场实测与数值模拟：复杂地形地貌桥址区风特性观测站点设置

根据大桥所处的位置、走向、地区地形特点及已有气象站分布，经过多次现场勘察确定了观测点位置。该观测站点位于大桥的轴线上，距离康定侧桥塔较近，向大桥跨中偏离康定侧桥塔约100 m。由图2.1可知，两个观测站点均位于较开阔地区。由图2.2可知，声雷达风廓线仪距离桥面209 m，自动站距离桥面78 m。图2.1观测点布置——平面图图2.2观测点布置——立面图表2.1观察仪器安装参数

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地貌桥址区风特性实测与模拟

CAWS600-RT型四要素自动气象站广泛应用于气象、交通、水文、农业及环保等领域，为各种灾害预警提供决策服务。CAWS600-RT型四要素自动气象站的传感系统主要包括EL15-1A型风速传感器、EL15-2D型风向传感器、HY-T型温度传感器及SL3-1型雨量传感器。表2.6HY-T型温度传感器主要性能指标CAWS600-RT型采用CAWS-TG系列通信服务，服务器安装在自动站采集器机箱内部。图2.6风速风向仪图2.7温度传感器图2.8自动气象站控制柜图2.9自动气象站

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风速与温度沿河谷变化的复杂地形风特性现场实测与数值模拟

为了考察桥位处河谷温度场和风场的分布情况，沿河谷布置了18个临时测点。图3.5、图3.6、图3.7分别为第1次、第2次、第3次测量温度及风速随测点的变化情况。可知，N9和S1的温度在3次测量过程中均较其他测点低，以这两点为中心分别往上下游两边延伸，温度均出现上升的趋势。

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高空风特性现场实测与数值模拟

图6.21紊流度3）紊流积分尺度如图6.22所示为猫道上跨中处顺风向、横风向和竖向紊流积分尺度随风速变化的分布情况。采用拟合均值作为取定值，可得桥址区高空处3个方向的拟合功率谱如下：顺风向横风向图6.24典型大风天功率谱图6.25拟合参数概率分布竖向猫道上高空处拟合功率谱与Simiu谱、Panofsky谱的对比如图6.26所示。图6.26功率谱对比

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复杂地貌桥址区风特性现场实测与数值模拟-紊流功率谱

顺风向脉动风u的频率分布可用无量纲的功率谱密度函数RN（z，f）表示为式中f——频率，Hz；Su（z，f）——顺风向脉动风功率谱。如果高度超过50 m，谱密度表达式中的fz表示为，同时λ改为10.2。此时，谱密度的表达式为式（6.8）即欧洲规范所采用谱密度表达式。Von karman给出了顺风向、横风向和竖向的功率谱密度函数，其顺风向功率谱密度函数为横风向和竖向功率谱密度函数为式和式中的无量纲频率为。

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复杂地形地貌桥址区风特性实测与模拟

为了考察每天日常大风的平均起风时间和停风时间，本小节将采用剔除大风降温过程且大风超过0.5 h以上的数据进行分析。按照上述原则，对筛选出来的大风过程进行分析。可知，大风过程平均持续时间为9.7 h。由图2.17和图2.18可知，10 min平均风速大于10.0 m/s的大风过程平均日起风时间为当天14：35，持续至21：20左右，整个大风过程持续为6.8 h，持续时间较长。

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统一拟合法解析及应用

如图2.40所示为1 080条典型风剖面数据按指数规律采用最小二乘法统一性拟合的地表粗糙度系数。为了考察不同风速下地表粗糙度系数的变化，分别以桥面设计高度处10 min平均风速为10.0，11.0，12.0，13.0，14.0，15.0 m/s作为分界点，对各风速区段内的数据进行统一拟合。为考察不同月份中地表粗糙度系数的变化，分别按月份对各月内的数据进行统一拟合。

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复杂地形风现场测试和数值模拟

②采用可靠的机械式测风仪进行平行观测，以其风速极值和风速、风向变化模态作为超声测风“野点”数据的判别依据。同时，计算截断方差为最后对野点进行判断，即当或时，则将x（i+2）视为“野点”。同时，对野点的个数进行统计，3个方向上野点分别占样本总数的1.92%，1.36%，1.98%，野点所占观测样本总数的比例较小。后续分析中将采用野点数和缺失数之和小于5.0%的风速时程片段进行分析。图6.7失真数据处理后风速时程

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复杂地形地貌桥址区风特性现场测量与模拟

阵风系数按正态分布的概率统计均值为1.57，标准差为0.24，考虑95%保证率时的阵风系数为1.97。④桥位处低空风剖面受地面影响较大，当超过一定高度后，这种影响减弱较明显，桥位处低空的地表粗糙度系数达到0.33。随着风速增加，地表粗糙度系数总体上在减小，表明在高风速下风速随高度增加的趋势在变缓。⑥桥位处东西方向的紊流度概率均值为18.3%，南北方向的紊流度概率均值14.5%，竖向的紊流度概率均值为9.3%。

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FLUENT中自然对流的实现

由式（4.1）可知，如何考虑空气密度随温度的变化是FLUENT中模拟自然对流的关键。FLUENT中，通常用Boussinesq模型来描述温度和密度的变化关系。可知，FLUENT中自带模型不能实现计算域中参考温度和空气密度随海拔高度变化的情况，仅适用于计算域范围相对较小的建筑物内空气自然对流分析。该表达式为FLUENT中由温度改变而引起的重力变化量，即在FLUENT中，将动量源项表达式定义为式（4.6）的形式，这样可模拟由于空气密度变化引起的自然对流情况。

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工况设置及观测点位置

图4.15观测点位置示意计算工况的设置见表4.1。同时，为考察组合风速下桥位处风场变化规律，结合桥位处的地形特点，设置了4种不同来流风速下的计算工况，分别是工况7—工况11。工况13为非定常计算分析，该工况模拟分析了一天中桥址区温度和风速的变化情况。表4.1工况列表续表注：1.风向如图4.16所示。

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风特性观测仪器检验和数据完整性实证分析

声雷达风廓线仪从2012年12月4日开始记录数据，风廓线仪主要是用于测量桥址区的风剖面，一般不需要连续观测，目前测得的累计有效数据天数为176 d，观测数据中包括了冬季季风和夏季阵风，所得数据具有较好的代表性。自动气象站从2012年12月23日开始记录数据，至2016年1月已进行了3年的长时间观测，数据观测时间较长，也能较好地反映桥址区的风特性。

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