一种下击暴流非平稳脉动风速的数值模拟方法技术

本发明专利技术提供了一种下击暴流非平稳脉动风速的数值模拟方法，通过下击暴流的时变平均风速模型和一个与时间频率有关的非均匀调制函数对功率谱进行调制来获得下击暴流非平稳脉动风速时变功率谱；将平稳随机过程的AR模型进一步考虑时变特征来建立非平稳随机过程的TAR时变模型；通过时变功率谱、TAR时变模型对下击暴流非平稳脉动风速进行有效模拟。本发明专利技术模拟的下击暴流非平稳脉动风速的相关性随着不同位置之间的距离增大而减弱，振幅随着时变平均风速的增大而增大，与实际风场特性相吻合；模拟的下击暴流非平稳脉动风速的功率谱具有明显的时变特征，且与目标时变谱的时变特征相吻合，而且样本统计平均功率谱、相关函数与目标也均吻合。

【技术实现步骤摘要】
一种下击暴流非平稳脉动风速的数值模拟方法
本专利技术属于风暴模拟
，尤其涉及一种下击暴流非平稳脉动风速的数值模拟方法。
技术介绍
在雷暴天气中，往往会形成局部强下沉气流猛烈冲击地面，产生一种极具突发性和破坏性的强风即下击暴流。人们首次认识到下击暴流的灾害性是在1975年美国一架波音727航班降落时发生的一次坠机事件中。对该事故调查后，Fujita首次提出了下击暴流，即能在地面产生17.9m/s以上辐散风的一种强烈的下沉气流[1]。Chay和Letchford[2]从本质上详细的阐述了下击暴流风速的形成方式。在雷暴环境中，尺度较小的微下击暴流发生的频率很高，在近地面产生的最大风速可达75m/s[3]。显然其破坏性特别大，属于近地面灾害性强风。下击暴流在美国、日本、中国、澳大利亚等世界范围内均有发生，建筑物主体及其围护结构在其作用下会产生严重的损伤、破坏，甚至垮塌[4,5]。人们已逐渐认识到下击暴流研究的重要性和必要性，国内外研究人员通过现场观测、实验模拟、理论分析和数值仿真等方法对下击暴流展开了广泛的研究。通过对下击暴流的数次实测，国外学者发现下击暴流风速场中最大风速出现在近地面，而距离地面较高处的风速相对较小，这明显不同与传统大气边界层风速场分布[3]。Holmes和Oliver[6]通过碰撞射流理论研究了下击暴流行进过程中的某一固定位置所产生的平均风速，并提出了随时间变化平均风速的模型。Wood等[7]通过下沉气流的风洞实验数据，提出了与计算流体动力学分析模型相吻合的风速场平均风速模型。Savory等[8]运用Holmes建立的模型研究了击暴流作用下的输电塔破坏情况。由于该模型没有考虑风速场的随机波动成分，这可能会低估了下击暴流风荷载作用下结构的动力响应。下击暴流风速具有很强的非平稳性。我国风工程领域专家瞿伟廉教授[9]将下击暴流分解为一个确定的时变平均风速和一个调制非平稳的脉动风速，进行了数值模拟研究。李春祥等[10]采用Deodatis提出的均匀调制非平稳随机场模拟方法模拟了下击暴流非平稳脉动风速。张文福等[11]通过时变函数均匀调制基于AR模型的平稳脉动风速来生成了具有空间相关性的下击暴流非平稳脉动风速。根据Priestley提出的进化谱理论[12]，非平稳脉动风速的模拟，应该通过一个与时间频率有关的非均匀调制函数对功率谱进行调制获得非平稳风速的时变功率谱即进化谱，然后通过非平稳随机过程的模拟方法来进行模拟。然而，为了简化，通常将非均匀调制函数假定为仅与时间有关的均匀调制函数，将非平稳随机过程的模拟转化为一均匀调制函数对平稳随机过程的调制，回避了根据时变功率谱模拟非平稳随机过程的难点。而且，目前对于非平稳脉动风速的模拟，通常将时变平均风速函数假定为平稳脉动风速的均匀调制函数并没有相关理论依据。为此，李锦华等[13]将非平稳脉动风速离散成若干段在足够短时间Δt内可以近似为平稳脉动风速的短时时间序列，从而严格推导出与时间和频率有关的非均匀调制函数和相应的非平稳脉动风速的进化谱。
技术实现思路
本专利技术的目的在于提供一种下击暴流非平稳脉动风速的数值模拟方法，旨在解决现有技术中回避了根据时变功率谱模拟非平稳随机过程难点的问题。本专利技术是这样实现的，一种下击暴流非平稳脉动风速的数值模拟方法，包括以下步骤：S1、根据进化谱理论，通过下击暴流的时变平均风速模型和一个与时间频率有关的非均匀调制函数对功率谱进行调制来获得下击暴流非平稳脉动风速时变功率谱；S2、将平稳随机过程的AR模型进一步考虑时变特征来建立非平稳随机过程的TAR时变模型；S3、通过所述时变功率谱、TAR时变模型对下击暴流非平稳脉动风速进行有效模拟。优选地，在步骤S1中，所述非均匀调制函数为Kaimal调制函数：式中:ω为圆频率；zj为空间某点的垂直地面高度；为空间某点处的时变平均风速；为空间某点处非平稳风速的统计平均风速。优选地，所述下击暴流非平稳脉动风速时变功率谱包括Davenport谱、Harris谱、Simiu谱调制后的非均匀调制函数。优选地，在步骤S1中，所述Davenport谱调制后的非均匀调制函数为：所述Harris谱调制后的非均匀调制函数为：所述Simiu谱调制后的非均匀调制函数为：以上各式中，ω为圆频率；zj为空间某点的垂直地面高度；为空间某点处的时变平均风速；为空间某点处非平稳风速的统计平均风速；为10米高处的时变平均风速；为10米高处非平稳风速的统计平均风速。优选地，在步骤S2中，所述AR模型为自回归模型：式中，Ai表示自回归模型系数，L表示待定的模型系数。优选地，在步骤S2中，所述TAR时变模型用函数定义为：式中，时变自回归模型系数Ai(t)可用函数定义为：时变模型系数L(t)用函数定义为：上式中，t＝1,2,3,…；f(t)为零均值非平稳随机过程；Rff(t,jΔt)为f(t)的在t时刻的相关函数；Ai(t)为时变自回归模型系数；L(t)为待定时变模型系数；w(t)为方差为1的白噪声序列，且满足相关函数，p为模型阶数。下击暴流风速具有很强的非平稳性，不仅平均风速具有时变特征，而且脉动风速的功率谱也具有时变性，表现出明显的非平稳特征。根据Priestley提出的进化谱理论，非平稳脉动风速的模拟，应该通过一个与时间频率有关的非均匀调制函数对功率谱进行调制获得非平稳风速的时变功率谱即进化谱，然后基于该进化谱对非平稳随机过程进行模拟。然而，为了计算的简化，目前对于非平稳脉动风速的模拟，通常将调制函数假定为仅与时间有关的函数，使得非平稳脉动风速的模拟转化为时间函数对平稳脉动风速的调制，这并没有相关理论依据。为此，本专利技术将根据进化谱理论，首先通过下击暴流的时变平均风速模型和一个与时间频率有关的非均匀调制函数对功率谱进行调制来获得下击暴流非平稳脉动风速时变功率谱，然后将平稳随机过程的AR模型进一步考虑时变特征来建立非平稳随机过程的TAR时变模型，最后通过时变功率谱、TAR时变模型实现下击暴流非平稳脉动风速的模拟，通过模拟的下击暴流非平稳脉动风速的相关性、功率谱分析验证了模拟的有效性。附图说明图1是本专利技术下击暴流非平稳脉动风速的数值模拟方法的步骤流程图；图2是本专利技术实施例中下击暴流径向风速与平移速度的矢量合成图；图3是本专利技术实施例中下击暴流时变平均风速图；图4是本专利技术实施例中下击暴流的Kaimal非均匀调制函数图；图5是本专利技术实施例中下击暴流风速时程和非平稳脉动成分图；图6是本专利技术实施例中下击暴流非平稳脉动风速的时变功率谱图；图7是本专利技术实施例中单样本下击暴流非平稳脉动风速统计平均估计谱与目标谱的对比图；图8是本专利技术实施例中单样本下击暴流非平稳脉动风速统计平均自相关函数与目标自相关函数的对比图；图9是本专利技术实施例中单样本下击暴流非平稳脉动风速统计平均自相关函数。具体实施方式为了使本专利技术的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本专利技术进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本专利技术，并不用于限定本专利技术。本专利技术提供了一种下击暴流非平稳脉动风速的数值模拟方法，如图1所示，包括以下步骤：S1、根据进化谱理论，通过下击暴流的时变平均风速模型和一个与时间频率有关的非均匀调制函数对功率谱进行调制来获得下本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种下击暴流非平稳脉动风速的数值模拟方法，其特征在于包括以下步骤：S1、根据进化谱理论，通过下击暴流的时变平均风速模型和一个与时间频率有关的非均匀调制函数对功率谱进行调制来获得下击暴流非平稳脉动风速时变功率谱；S2、将平稳随机过程的AR模型进一步考虑时变特征来建立非平稳随机过程的TAR时变模型；S3、通过所述时变功率谱、TAR时变模型对下击暴流非平稳脉动风速进行有效模拟。

【技术特征摘要】
1.一种下击暴流非平稳脉动风速的数值模拟方法，其特征在于包括以下步骤：S1、根据进化谱理论，通过下击暴流的时变平均风速模型和一个与时间频率有关的非均匀调制函数对功率谱进行调制来获得下击暴流非平稳脉动风速时变功率谱；S2、将平稳随机过程的AR模型进一步考虑时变特征来建立非平稳随机过程的TAR时变模型；S3、通过所述时变功率谱、TAR时变模型对下击暴流非平稳脉动风速进行有效模拟；在步骤S2中，所述TAR时变模型用函数定义为：式中，时变自回归模型系数Ai(t)用函数定义为：时变模型系数L(t)用函数定义为：上式中，t＝1,2,3,…；f(t)为零均值非平稳随机过程；Rff(t,jΔt)为f(t)的在t时刻的相关函数；Ai(t)为时变自回归模型系数；L(t)为待定时变模型系数；w(t)为方差为1的白噪声序列，且满足相关函数p为模型阶数。2.如权利要求1所述的下击暴流非平稳脉动风速的数值模拟方法，其特征在于，在步骤S1中，所述非均匀调制函数为Kaimal调制函数：式中:ω为圆频率；zj为空间某点的垂直地面高度；为空间某点处的时变平均风速；为空间某点处非平稳风速的统计平均风...

【专利技术属性】
技术研发人员：李锦华，陈水生，
申请(专利权)人：华东交通大学，
类型：发明
国别省市：江西;36