臺風“譚美”外圍近地層脈動風特性分析

王 旭,孔 虎,郭 運,2

(1. 重慶交通大學 土木工程學院,重慶 400074; 2. 重慶交通職業(yè)學院 路橋與建筑學院,重慶 402247)

0 引言

我國是世界上受臺風影響最嚴重的國家之一,其中東南沿海地區(qū)是臺風高發(fā)區(qū),平均每年有7次臺風在此登陸[1]。臺風過境給當?shù)厝嗣裆敭a(chǎn)造成了嚴重危脅,如2009年第8號臺風“莫拉克”引起的嚴重水患重創(chuàng)我國沿海地區(qū),造成近700人罹難,直接經(jīng)濟損失超過62億美元;2013年超強臺風“海燕”席卷東南亞,引起房屋和構(gòu)筑物倒塌、交通和電力系統(tǒng)癱瘓,造成菲律賓6300人死亡,28688人受傷,經(jīng)濟損失約36.4億美元[2]。因此,有必要對風場特性進行分析,為抗風設計提供思路[3]。

由于風洞實驗條件復雜,且操作困難,現(xiàn)場實測是研究臺風近地風場最有效的方法。近年來,很多國內(nèi)外學者通過現(xiàn)場實測開展了大量的研究,姚博等[4]在廣東省汕尾市鲘門鎮(zhèn)某海岸上分析了40～290 m高度處強臺風“海馬”的實測數(shù)據(jù),得到陣風因子隨湍流強度的增大而增大,并將實測結(jié)果進行了線性擬合,結(jié)果表明,一次線性擬合離散度較大。沈煉等[5]基于澧水大橋橋址區(qū)實測數(shù)據(jù)并結(jié)合fluent數(shù)值模擬,研究了深切峽谷橋址處風場的詳細分布規(guī)律。傅國強等[6]基于上海環(huán)球金融中心頂部臺風“溫比亞”實測數(shù)據(jù),對華東地區(qū)城市高空風場特性進行分析,得到了不同時距下平均風速之間呈現(xiàn)良好線性關(guān)系,并隨著時距的減小,最大平均風速逐漸增大。LIN等[7]基于臺風“納莎”和“海棠”的實測數(shù)據(jù)分析了東南沿海地區(qū)近地面脈動風場特性,擬合了臺風眼前、后湍流強度剖面,擬合結(jié)果與我國規(guī)范最為接近,但顯著偏小。XIA等[8]采用福建平潭某測風塔實測數(shù)據(jù),對臺風“瑪利亞”近地邊界層風特性進行分析,得到了陣風因子在縱向、水平和垂直方向上均隨時距呈線性減小,并得出時距為3 s時,峰值因子與湍流強度關(guān)系較為離散。盡管眾多學者在近地風特性實測方面做了大量研究,但關(guān)于我國沿海地區(qū)不同高度處風特性的變化規(guī)律還不夠清楚,仍需進一步研究得到合適的經(jīng)驗模型以指導結(jié)構(gòu)抗風設計。

本文基于福建寧德地區(qū)測風塔15、27、53、67、82 m高度處臺風“譚美”的實測數(shù)據(jù),對臺風過境中峰值因子、湍流強度與陣風因子的關(guān)系、平均風特性、脈動風特性和功率譜等進行了研究,為豐富該地區(qū)臺風數(shù)據(jù)庫和結(jié)構(gòu)抗風設計提供了參考。

1 臺風“譚美”及現(xiàn)場實測概況

2018年第24號臺風“譚美”于9月16日1時30分在太平洋洋面12.8°N,146°E處生成,向西北方向移動,9月23日5時升格為臺風,9月24日5時加強為超強臺風。9月29日凌晨移至24.5°N,126.8°E處,此時超強臺風“譚美”最大風速為48 m/s,隨后臺風“潭美”改向北偏東轉(zhuǎn)東北方向移動。

實測場地位于福建省寧德市霞浦縣牙城鎮(zhèn),介于26° 25′N～ 27° 9′N,119° 46′E～120° 26′E之間,北距溫州、南距福州均160 km。實測場地的南北方向被山丘環(huán)繞,東西兩面地形開闊,屬于典型的河谷地貌。風速儀采用美國R.M.YOUNG公司生產(chǎn)的81000系列三維超聲風速儀,風速儀全天候工作,工作溫度為-50～+50 ℃,風速量程為0～40 m/s,風速和風向測量精度分別設定為0.01 m/s和0.1°,采樣頻率為10 Hz。如圖1所示,選取全高82 m測風塔為研究對象,分別將5個風速儀安裝在塔身距地面15、27、53、67、82 m高度處。5個高度的風速儀同步計量風場數(shù)據(jù),風速儀測得縱、橫和豎向風速分量分別對應正北、正東和豎直向上,風向角定義正北方向為0°,按順時針旋轉(zhuǎn)為正。

圖1 測風塔及儀器安裝位置

2 平均風特性

采樣的時段為2018年9月26日0時—2018年9月29日19時,共91 h,并按10 min平均時距進行子樣本分割。本文采用“矢量分解法”對實測臺風數(shù)據(jù)進行分析處理,測得縱、橫和豎直方向上的分量,記為Vx(t)、Vy(t)和Vz(t),分別對應X、Y和Z軸下的時間序列,得到風向角θ和平均風速U,具體表達式如式(1)～式(3):

(1)

cosθ=Vx(t)/U

(2)

W=Vz(t)/U

(3)

式中,Vx(t),Vy(t)和Vz(t)分別為10 min時距樣本的三維風速平均值,W為豎直方向。

圖2、圖3分別為不同高度處10 min平均風速U和風向角θ隨時間的變化曲線。從圖中可以看出,平均風速隨觀測高度的增加而增大,各高度處平均風速、風向角隨時間變化趨勢基本一致。在2018年9月26日0時到2018年9月28日21時段,平均風速隨時間緩慢增大,平均風向角先增大后減小,隨后在134.8°～256.7°左右波動。直至9月28日22時左右平均風速值達到最大,15、53、82 m高度處對應的最大平均風速分別為13.04、14.09、15.53 m/s,對應的風向角分別為114.43°、117.98°、112.57°,說明此時測點距離臺風最近,為712.17 km,隨后平均風速開始下降,風向角開始減小,這是由于臺風改向,向北偏東移動造成的。

圖2 平均風速隨時間變化 圖3 風向角隨時間變化

3 脈動風特性

3.1 湍流強度

湍流強度是衡量湍流強弱的相對指標,是確定結(jié)構(gòu)風荷載的重要參數(shù)之一[9]。其定義為10 min時距內(nèi)脈動風速的標準差與平均風速U的比值:

(4)

式中:Ii(i=u,v,w)分別為縱向、橫向和豎向湍流強度;σi(i=u,v,w)分別為脈動風速u(t)、v(t)和w(t)的均方根。

圖4為不同高度處各向湍流強度隨10 min平均風速變化的關(guān)系。從圖中可以看出,15 m和53 m處縱向湍流強度隨平均風速的增大略有增加;其余高度處3個方向湍流強度均隨著平均風速的增大而減小。這與文獻[1]縱向湍流強度隨平均風速的增大而減小的結(jié)論不同。這是因為文獻[1]中觀測地點鄰近出海口,距東海海岸僅500 m,而本文觀測點屬于典型河谷地貌,不同測試環(huán)境導致所測臺風特性有所差異。當10 min平均風速較小時,湍流強度隨風速呈下降趨勢,當10 min平均風速大于7.25 m/s時,曲線趨于平穩(wěn)。

圖4 縱向、橫向及豎向湍流強度隨平均風速的變化

其中15 m處縱、橫和豎向湍流強度均值分別為0.209、0.247和0.107,三者比值為1∶1.18∶0.51,53 m和82 m處各向湍流強度均值和比值在表1中給出。WANG等[1]、龐加斌等[10]、陳斌等[11]等分別研究了臺風“米雷”、臺風“杰拉華”和臺風“海葵”作用下浦東地區(qū)和九龍堡大橋橋址區(qū)湍流強度隨平均風速的變化情況,本文和文獻實測結(jié)果如表1所示。從表中4次臺風實測結(jié)果可知,各臺風作用下縱向與橫向湍流強度較為接近,且橫向湍流強度約為豎向湍流強度的2倍。本文實測湍流強度與王旭等[1]實測結(jié)果相近,略小于龐加斌[10]、陳斌等[11]實測結(jié)果。這可能是由于龐加斌的觀測地點屬于城市近郊地形,在臺風內(nèi)核區(qū)域,距離臺風中心較近為117.07 km,陳斌觀測點九堡大橋橋址區(qū)距離臺風中心僅10 km,而本文處于河谷地形,在臺風外圍區(qū)域,且觀測點距離臺風中心較遠,為755.6 km。如表2所示,本文實測各高度處縱向湍流強度均值穩(wěn)定在0.2左右,略大于同類地貌、相同高度處各國規(guī)范[14]縱向湍流強度取值。

表1 實測湍流強度對比

表2 縱向湍流強度對比

SHIKHOVTSEV等[12]和NOSOV等[13]等研究表明,湍流強度會隨特定時距的變化而變化,但至今相關(guān)研究相對欠缺,因此本文基于實測數(shù)據(jù),對湍流強度在不同時距下的取值進行了研究。圖5為82 m高度處不同風速三向湍流強度隨時距的變化關(guān)系,其中平均風速為1 h時距計算所得。從圖中可以看出,不同平均風速下各向湍流強度隨時距的變化趨勢基本一致,均隨時距的增大而減小,并隨著時距的增大,其衰減速度也逐漸增加,其中湍流強度衰減速率由大到小依次為:橫向、縱向、豎向。

圖5 不同高度處縱向、橫向及豎向湍流強度隨時距的變化

湍流強度隨高度的變化是風工程領域研究的熱點,圖6根據(jù)實測結(jié)果,給出了縱向湍流強度隨高度變化的散點圖,并對其進行了擬合,同時與美國[14](ASCE/SEI 7—10)、歐洲[15](Eurocode)和日本[16](AIJ2004)各規(guī)范中縱向湍流強度剖面經(jīng)驗公式曲線進行比較。從圖中可以看出,擬合結(jié)果與各國規(guī)范偏離較大;這說明本次臺風縱向湍流強度隨高度的變化與美國、日本和歐洲規(guī)范不符;本文實測縱向湍流強度隨高度的增加而減小,并隨著高度的增加其衰減速率逐漸變緩。

圖6 縱向湍流強度隨高度的變化 圖7 橫向和豎向湍流強度隨高度的變化

由于目前國內(nèi)外學者對橫、豎向湍流強度剖面研究甚少,各國規(guī)范也缺乏相應的經(jīng)驗表達式。因此,圖7給出了橫、豎向湍流強度隨高度變化的散點圖,并參考美國規(guī)范ASCE/SEI 7—2010[14]中縱向湍流強度表達式對實測結(jié)果進行了形如Ii=a(15/Z)α的指數(shù)型擬合,從圖中可以看出整體擬合效果良好,這說明擬合公式能較好地描述本次臺風橫、豎向湍流強度隨高度的變化。

3.2 陣風因子

陣風因子表示風的脈動強度,定義為短時距(tg,一般取3 s)內(nèi)平均風速的最大值與較長參考時間T平均風速的比值,表達式為:

(5)

(6)

(7)

式中:Gi(u,v,w)分別為縱向、橫向和豎向陣風因子;max(u(tg)),max(v(tg)),max(w(tg))分別為縱向、橫向及豎向脈動風在陣風持續(xù)時距tg內(nèi)平均最大風速。

為了研究陣風因子隨平均風速的變化情況,圖8給出了不同高度處縱、橫和豎向陣風因子隨10 min平均風速的變化。從圖中可以看出,與湍流強度類似,不同高度處各向陣風因子隨平均風速的變化趨勢相近,均隨著平均風速的增大而減小,在平均風速較小時呈下降趨勢,平均風速大于7.25 m/s時,陣風因子較平穩(wěn)。其中,如表3所示,15 m高度處縱向、橫向及豎向陣風因子均值分別1.949、1.062、0.793,三者比值為1∶0.55∶0.41;82 m高度處三向均值分別為1.555、0.884、0.647,三者比值為1∶0.57∶0.42;均大于臺風“米雷”和臺風“杰拉華”實測結(jié)果,這可能是因為龐加斌等[10]的觀測地點在臺風內(nèi)核區(qū)域,距離臺風中心較近為117.07 km、陳斌的觀測地點距離臺風中心僅10 km,而本文處于河谷地形且距離臺風中心較遠,有755.6 km。

表3 實測陣風因子對比

圖8 不同高度處各向陣風因子隨平均風速的變化

與湍流強度類似,陣風因子會隨時距的變化而變化[13],本文也對兩者之間變化關(guān)系進行了研究,圖9給出了各高度(以15 m和82 m為例)不同風速下縱向、橫向和豎向的陣風因子隨時距的變化。由圖可知,不同高度下各向陣風因子隨時距的變化趨勢基本一致,均隨時距的增大而減小,并隨著高度的增加,其衰減的速率逐漸變緩。當時距tg大于1000 s時縱向和橫向陣風因子最終大致趨向于1,豎向陣風因子趨近于0。

圖9 不同高度平均風速下縱、橫和豎向陣風因子隨時距變化

為了直觀地掌握各向陣風因子隨高度的變化規(guī)律,基于實測結(jié)果,圖10給出了各向陣風因子隨高度的變化關(guān)系。由圖可知,各向陣風因子隨高度的增大而減小。本文參考湍流強度剖面表達式,對各向陣風因子進行了形如Gi=α(15/Z)β的指數(shù)型擬合,擬合結(jié)果在低層適用性不理想,高層適用性良好。但總體上看,各向擬合公式可以較好地反映出陣風因子隨高度的變化規(guī)律。湍流強度和陣風因子都是脈動風特性分析中的重要參數(shù),CHOI[17]、CAO等[18]等研究已表明陣風因子和湍流度之間存在密切的相關(guān)性,并給出了下列經(jīng)驗表達式:

圖10 陣風因子隨高度的變化

(8)

式中:a、b為待定參數(shù);t為平均風時距,取10 min;tg為陣風持續(xù)時間,取3 s。CHOI[17]建議取值a=0.62、b=1.27,CAO建議a=0.5、b=1.15。

本文分別對15 m和82 m處縱向陣風因子與湍流強度的關(guān)系進行線性擬合,以及形如式(8)所示的非線性擬合,并與CHOI建議經(jīng)驗曲線進行對比。15 m高度處線性擬合結(jié)果為Gu=2.814Iu+0.54,非線性擬合結(jié)果為a=1.023,b=2.423;82 m高度處線性擬合結(jié)果為Gu=3.157Iu+0.583,非線性擬合結(jié)果a=0.656,b=1.836。如圖11所示,從圖中可以看出,不同高度處,湍流強度隨著陣風因子的增加而增加,當湍流強度較大時,陣風因子呈發(fā)散趨勢。Gu線性和非線性擬合結(jié)果較為接近,在15 m處線性擬合優(yōu)于非線性擬合;在82 m 處非線性擬合優(yōu)于線性擬合,實測結(jié)果較CHOI建議經(jīng)驗結(jié)果偏小,這說明不同測試環(huán)境所得結(jié)果有所差異,且臺風具有獨特性。

圖11 湍流強度與陣風因子關(guān)系

3.3 峰值因子

峰值因子也用來表征脈動風的瞬時強度,表達式為:

(9)

圖12 不同高度峰值因子隨10 min平均風速變化 圖13 峰值因子與陣風因子變化的關(guān)系

現(xiàn)有研究少有關(guān)注陣風因子和峰值因子之間的相互關(guān)系,本文基于實測結(jié)果,給出了不同高度峰值因子隨陣風因子的變化規(guī)律(見圖13)。峰值因子隨著陣風因子變化具有明顯的相關(guān)性;當Gu<1時,峰值因子隨著陣風因子的增大而急劇減小,當Gu>1時,峰值因子隨著陣風因子的增大而緩慢增大,其增長的速率隨高度的增加而減小,并呈現(xiàn)一定的線性關(guān)系,當陣風因子較大時,峰值因子較為離散。

圖14為各高度不同時風速峰值因子隨時距的變化,由圖可知,不同平均風速下各高度峰值因子隨時距變化趨勢基本一致,都隨時距的增大而減小,并且隨著高度的增加,其衰減的速率逐漸減緩。

圖14 各高度不同風速峰值因子隨時距的變化

3.4 脈動風速功率譜

脈動風速功率譜是湍流特性的重要數(shù)字特征,能夠準確地描述湍流能量在頻域內(nèi)的分布狀況和反映脈動風各頻率成分所做貢獻的大小。根據(jù)Kolmogorov湍流理論,脈動風速功率譜的一般經(jīng)驗表達式[19]如式(10):

(10)

式中:Su(f)為脈動風速功率譜;u*為剪切波速(在風工程中,一般用脈動風速均方根值σu來表示);f為莫寧坐標;A、B、α、β和γ為5個待定參數(shù)。

基于實測數(shù)據(jù),各國學者考慮了多種因素(如高度和方向等),提出了很多具有代表性的風速譜表達式,如Von-Karman譜,Davenport譜,Simiu譜,Harris譜和Lumley-Panofsky譜等[20],其對應公式或相關(guān)參數(shù)如表4所示。最后根據(jù)實測結(jié)果并對比各類經(jīng)驗譜表明,Von-Karman譜[21]能夠真實地反映脈動風的特征。

表4 各經(jīng)驗譜的相關(guān)參數(shù)或公式

圖15給出了平均風速較大時段15、53、82 m高度處各向脈動風速實測功率譜以及與之對應的不同脈動風速經(jīng)驗譜。由圖可知,縱向脈動風速功率譜與Von-Karman譜吻合較好,與Davenport譜,Simiu譜,Harris譜吻合較差,Davenport譜,Simiu譜和Harris譜在實測頻率范圍內(nèi)均遠大于實測譜,這說明Von-Karman譜能更好地刻畫縱向脈動風速的變化;橫向脈動風速功率譜譜值在低、中頻段與Von-Karman譜吻合較好,在高頻段明顯大于Von-Karman譜譜值;豎向脈動風速功率譜譜值在低、中頻段與Von-Karman譜和Lumley-Panofsky譜均吻合良好,在高頻段Lumley-Panofsky譜明顯大于實測譜、Von-Karman譜小于實測譜。

圖15 15、53、82 m高度脈動風速功率譜

4 結(jié)論

本文基于安裝在測風塔不同高度處的三維風速儀,對臺風“譚美”作用下福建寧德地區(qū)實測風速時程數(shù)據(jù)進行平均風特性和脈動風特性分析,得到以下結(jié)論:

1) 各高度各向湍流強度和陣風因子均隨著平均風速的增大而下降,且具有一定的線性關(guān)系,當平均風速大于7.25 m/s時,變化趨勢較為平穩(wěn)。根據(jù)各國規(guī)范,通過指數(shù)型擬合得到了湍流強度和陣風因子剖面經(jīng)驗表達式。

2) 峰值因子隨平均風速的增大而減小,在風速較小區(qū)域,峰值因子較為集中,在風速較大區(qū)域,峰值因子變化相對平穩(wěn)。

3) 不同高度處各向湍流強度、陣風因子和縱向峰值因子均隨時距的增大而減小。

4) 縱向陣風因子與湍流強度存在較強的相關(guān)性,其線性擬合與非線性擬合結(jié)果較為接近,均小于CHOI建議的經(jīng)驗計算結(jié)果。與湍流強度類似,峰值因子與陣風因子也存在相似線性關(guān)系,且在陣風因子較大時,峰值因子較為離散。

5) 實測臺風“譚美”縱向脈動風速功率譜與Von-Karman譜吻合良好,而橫向和豎向脈動風速功率譜與Lumley-Panofsky譜和Von-Karman譜在中、低頻段吻合較好,高頻段吻合效果較差。