- 文献综述(或调研报告):
飑线是由许多雷暴单体(其中包括若干超级单体)侧向排列而形成的强对流云带,飑线过境时,于飑线后方下沉气流层形成浅圆顶形冷空气丘,通常称其为雷暴高压,造成局地气压上升约2~5hPa。此下降气流前缘附近,即飑线两侧有明显的水平温度梯度,造成温度急降,并常伴随风向急变和风速剧增。由于下沉空气来自对流层中层,风速较强,加之雷暴高压区强水平气压梯度的加速,以及由于雷暴引起的下击暴流辅助,因此飑线风风速很强。在飑线系统的单体雷暴中,如果上升空气中的水蒸汽凝结产生了大规模降雨,则雨滴将对其通过的空气施加粘滞拖曳力,并引起很强的下沉气流。部分降水将在低层大气中蒸发,使那里的大气变冷而下沉。下沉的冷气流在地面上以壁急流(即急流撞击壁面形成的气流)形式扩散,从而形成下击暴流。
许多研究人员已对下击暴流的特性进行了跟踪测试和数值模拟分析,目前为大家所接受的研究结论是:下击暴流沿高度方向的分布与普通的近地风不同,前者呈现出中间大、两头小的葫芦状分布。其风速沿高度的分布明显区别于良态近地风,风速从地表开始迅速急剧增大,然后随着高度的增加又迅速减小。由于目前输电线路的导地线大约位于20—60m的高处,该高度也是风速急剧增加直至达到最大的高度,因此下击暴流是对高压输电线路威胁最大的一种强风暴。据相关文献的统计,输电线路的破坏绝大多数是由下击暴流引起的。虽然下击暴流所造成的破坏是在局部出现的,但对于长度几百公里且位于野外的输电线路而言,其遭受袭击的概率还是比较高的。其破坏输电线路的主要后果是输电塔的倒塔。
由于下击暴流具有对流空间尺度小、突发性强、瞬间风力大、伴随集中强降水等特点,常规固定的观测站点往往很难对风的速度分布、等级和强度进行实测。其与结构有关的基本特征有:(1)风速随着高度的增加先增大后减小,最大风速出现在50~100m高度之间,通常为80 m;(2)下击暴流场是一个高度非平稳的风场,结构的风致响应只能通过时域法进行分析。
根据结构抗风基本理论,将大气边界层风场中任意一个高度处的风速当作两部分之和,即平均风速和脉动风速之和。类比于大气边界层风场,对于空间任意一点处,这一点处的下击暴流风速也可以表达为平均成分与脉动成分之和,但是其平均成分不同于大气边界层风场的平均成分,是随时间发生变化的时变平均成分,所以类似的,下击暴流风速表达式如:
其中是下击暴流合成风速,是关于空间任意一点处同风暴中心的相对坐标x,y,z以及时间t的函数,既是平均风速,是与风暴中心相对位置相关的非平稳的随机过程,代表下击暴流的脉动风速。
相比于大气边界层风场,下击暴流的平均风速也可以看作是一个非平稳的随机过程,因为其平均风速是在一定的时间步长内,通过将这段时间内风速数值进行平均的方式得到,所以平均风速可以看作是一种瞬时的平均,在整个风暴的过程中,平均风速具有时变性。下击暴流的平均风速一方面随坐标位置的不同而变化,另一方面随时间的变化而变化,从这一点也可以看出非平稳特性;实测数据显示,下击暴流的脉动风速并不服从高斯分布,根据很多学者对于下击暴流脉动风速的模拟,为了表明下击暴流的脉动风速特性,引入了高斯随机过程来进行简化模拟。
在确定好风场后,运用力学知识将其转化为风荷载进行计算。但是考虑到时间成本,计算难度,计算准确性,我们直接采用ASCE和AS/NZS的输电线路设计规范。ASCE荷载导则中将龙卷风和下击暴流称为高强度风,并规定了高强度风作用下输电线路风荷载取值。我们通过风场直接采用经验公式计算荷载,准确而方便快捷。
同时运用ANSYS软件构件输电塔模型,具体建模步骤如下:1.定义铁塔单元的材料参数,包括弹性模量、泊松比以及输电塔密度;2.由图纸确定实际铁塔的几何尺寸,通过坐标定义铁塔的关键点;3.根据关键点进行连点建线;4.定义单元的截面类型,包括截面形状和尺寸;5.进行网格划分,并赋予单元材料属性、单元类型和截面类型。通过上述五个步骤即完成输电塔的建模和网格划分。
结合下击暴流风场模拟,影响下击暴流风荷载的参数大致分为几个:最大风速半径,风暴移动速度,风暴中心距离塔线体系的位置等。研究时可以通过两个方面把问题说清楚,第一个部分是不同参数对下击暴流风荷载的影响特征;第二个部分是不同参数对拉线塔线体系的风振响应的影响特征。通过不断的调整参数,采用调整单一变量的方法,将得到的结果进行比较,我们就能发现其破坏规律。基于下击暴流脉动成分的数值模拟,脉动成分是建立在时变平均风速基础上的调制,所以要明白,在平均风作用下响应较大的时间段内,脉动成分的作用较为明显,即时变平均风速越大脉动成分对响应的影响就越大,因此下击暴流的脉动成分对响应贡献是不可忽略的。
参考文献:
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