台风“谭美”外围近地层脉动风特性分析

王 旭,孔 虎,郭 运,2

(1. 重庆交通大学 土木工程学院,重庆 400074; 2. 重庆交通职业学院 路桥与建筑学院,重庆 402247)

0 引言

我国是世界上受台风影响最严重的国家之一,其中东南沿海地区是台风高发区,平均每年有7次台风在此登陆[1]。台风过境给当地人民生命财产造成了严重危胁,如2009年第8号台风“莫拉克”引起的严重水患重创我国沿海地区,造成近700人罹难,直接经济损失超过62亿美元;2013年超强台风“海燕”席卷东南亚,引起房屋和构筑物倒塌、交通和电力系统瘫痪,造成菲律宾6300人死亡,28688人受伤,经济损失约36.4亿美元[2]。因此,有必要对风场特性进行分析,为抗风设计提供思路[3]。

由于风洞实验条件复杂,且操作困难,现场实测是研究台风近地风场最有效的方法。近年来,很多国内外学者通过现场实测开展了大量的研究,姚博等[4]在广东省汕尾市鲘门镇某海岸上分析了40～290 m高度处强台风“海马”的实测数据,得到阵风因子随湍流强度的增大而增大,并将实测结果进行了线性拟合,结果表明,一次线性拟合离散度较大。沈炼等[5]基于澧水大桥桥址区实测数据并结合fluent数值模拟,研究了深切峡谷桥址处风场的详细分布规律。傅国强等[6]基于上海环球金融中心顶部台风“温比亚”实测数据,对华东地区城市高空风场特性进行分析,得到了不同时距下平均风速之间呈现良好线性关系,并随着时距的减小,最大平均风速逐渐增大。LIN等[7]基于台风“纳莎”和“海棠”的实测数据分析了东南沿海地区近地面脉动风场特性,拟合了台风眼前、后湍流强度剖面,拟合结果与我国规范最为接近,但显著偏小。XIA等[8]采用福建平潭某测风塔实测数据,对台风“玛利亚”近地边界层风特性进行分析,得到了阵风因子在纵向、水平和垂直方向上均随时距呈线性减小,并得出时距为3 s时,峰值因子与湍流强度关系较为离散。尽管众多学者在近地风特性实测方面做了大量研究,但关于我国沿海地区不同高度处风特性的变化规律还不够清楚,仍需进一步研究得到合适的经验模型以指导结构抗风设计。

本文基于福建宁德地区测风塔15、27、53、67、82 m高度处台风“谭美”的实测数据,对台风过境中峰值因子、湍流强度与阵风因子的关系、平均风特性、脉动风特性和功率谱等进行了研究,为丰富该地区台风数据库和结构抗风设计提供了参考。

1 台风“谭美”及现场实测概况

2018年第24号台风“谭美”于9月16日1时30分在太平洋洋面12.8°N,146°E处生成,向西北方向移动,9月23日5时升格为台风,9月24日5时加强为超强台风。9月29日凌晨移至24.5°N,126.8°E处,此时超强台风“谭美”最大风速为48 m/s,随后台风“潭美”改向北偏东转东北方向移动。

实测场地位于福建省宁德市霞浦县牙城镇,介于26° 25′N～ 27° 9′N,119° 46′E～120° 26′E之间,北距温州、南距福州均160 km。实测场地的南北方向被山丘环绕,东西两面地形开阔,属于典型的河谷地貌。风速仪采用美国R.M.YOUNG公司生产的81000系列三维超声风速仪,风速仪全天候工作,工作温度为-50～+50 ℃,风速量程为0～40 m/s,风速和风向测量精度分别设定为0.01 m/s和0.1°,采样频率为10 Hz。如图1所示,选取全高82 m测风塔为研究对象,分别将5个风速仪安装在塔身距地面15、27、53、67、82 m高度处。5个高度的风速仪同步计量风场数据,风速仪测得纵、横和竖向风速分量分别对应正北、正东和竖直向上,风向角定义正北方向为0°,按顺时针旋转为正。

图1 测风塔及仪器安装位置

2 平均风特性

采样的时段为2018年9月26日0时—2018年9月29日19时,共91 h,并按10 min平均时距进行子样本分割。本文采用“矢量分解法”对实测台风数据进行分析处理,测得纵、横和竖直方向上的分量,记为Vx(t)、Vy(t)和Vz(t),分别对应X、Y和Z轴下的时间序列,得到风向角θ和平均风速U,具体表达式如式(1)～式(3):

(1)

cosθ=Vx(t)/U

(2)

W=Vz(t)/U

(3)

式中,Vx(t),Vy(t)和Vz(t)分别为10 min时距样本的三维风速平均值,W为竖直方向。

图2、图3分别为不同高度处10 min平均风速U和风向角θ随时间的变化曲线。从图中可以看出,平均风速随观测高度的增加而增大,各高度处平均风速、风向角随时间变化趋势基本一致。在2018年9月26日0时到2018年9月28日21时段,平均风速随时间缓慢增大,平均风向角先增大后减小,随后在134.8°～256.7°左右波动。直至9月28日22时左右平均风速值达到最大,15、53、82 m高度处对应的最大平均风速分别为13.04、14.09、15.53 m/s,对应的风向角分别为114.43°、117.98°、112.57°,说明此时测点距离台风最近,为712.17 km,随后平均风速开始下降,风向角开始减小,这是由于台风改向,向北偏东移动造成的。

图2 平均风速随时间变化 图3 风向角随时间变化

3 脉动风特性

3.1 湍流强度

湍流强度是衡量湍流强弱的相对指标,是确定结构风荷载的重要参数之一[9]。其定义为10 min时距内脉动风速的标准差与平均风速U的比值:

(4)

式中:Ii(i=u,v,w)分别为纵向、横向和竖向湍流强度;σi(i=u,v,w)分别为脉动风速u(t)、v(t)和w(t)的均方根。

图4为不同高度处各向湍流强度随10 min平均风速变化的关系。从图中可以看出,15 m和53 m处纵向湍流强度随平均风速的增大略有增加;其余高度处3个方向湍流强度均随着平均风速的增大而减小。这与文献[1]纵向湍流强度随平均风速的增大而减小的结论不同。这是因为文献[1]中观测地点邻近出海口,距东海海岸仅500 m,而本文观测点属于典型河谷地貌,不同测试环境导致所测台风特性有所差异。当10 min平均风速较小时,湍流强度随风速呈下降趋势,当10 min平均风速大于7.25 m/s时,曲线趋于平稳。

图4 纵向、横向及竖向湍流强度随平均风速的变化

其中15 m处纵、横和竖向湍流强度均值分别为0.209、0.247和0.107,三者比值为1∶1.18∶0.51,53 m和82 m处各向湍流强度均值和比值在表1中给出。WANG等[1]、庞加斌等[10]、陈斌等[11]等分别研究了台风“米雷”、台风“杰拉华”和台风“海葵”作用下浦东地区和九龙堡大桥桥址区湍流强度随平均风速的变化情况,本文和文献实测结果如表1所示。从表中4次台风实测结果可知,各台风作用下纵向与横向湍流强度较为接近,且横向湍流强度约为竖向湍流强度的2倍。本文实测湍流强度与王旭等[1]实测结果相近,略小于庞加斌[10]、陈斌等[11]实测结果。这可能是由于庞加斌的观测地点属于城市近郊地形,在台风内核区域,距离台风中心较近为117.07 km,陈斌观测点九堡大桥桥址区距离台风中心仅10 km,而本文处于河谷地形,在台风外围区域,且观测点距离台风中心较远,为755.6 km。如表2所示,本文实测各高度处纵向湍流强度均值稳定在0.2左右,略大于同类地貌、相同高度处各国规范[14]纵向湍流强度取值。

表1 实测湍流强度对比

表2 纵向湍流强度对比

SHIKHOVTSEV等[12]和NOSOV等[13]等研究表明,湍流强度会随特定时距的变化而变化,但至今相关研究相对欠缺,因此本文基于实测数据,对湍流强度在不同时距下的取值进行了研究。图5为82 m高度处不同风速三向湍流强度随时距的变化关系,其中平均风速为1 h时距计算所得。从图中可以看出,不同平均风速下各向湍流强度随时距的变化趋势基本一致,均随时距的增大而减小,并随着时距的增大,其衰减速度也逐渐增加,其中湍流强度衰减速率由大到小依次为:横向、纵向、竖向。

图5 不同高度处纵向、横向及竖向湍流强度随时距的变化

湍流强度随高度的变化是风工程领域研究的热点,图6根据实测结果,给出了纵向湍流强度随高度变化的散点图,并对其进行了拟合,同时与美国[14](ASCE/SEI 7—10)、欧洲[15](Eurocode)和日本[16](AIJ2004)各规范中纵向湍流强度剖面经验公式曲线进行比较。从图中可以看出,拟合结果与各国规范偏离较大;这说明本次台风纵向湍流强度随高度的变化与美国、日本和欧洲规范不符;本文实测纵向湍流强度随高度的增加而减小,并随着高度的增加其衰减速率逐渐变缓。

图6 纵向湍流强度随高度的变化 图7 横向和竖向湍流强度随高度的变化

由于目前国内外学者对横、竖向湍流强度剖面研究甚少,各国规范也缺乏相应的经验表达式。因此,图7给出了横、竖向湍流强度随高度变化的散点图,并参考美国规范ASCE/SEI 7—2010[14]中纵向湍流强度表达式对实测结果进行了形如Ii=a(15/Z)α的指数型拟合,从图中可以看出整体拟合效果良好,这说明拟合公式能较好地描述本次台风横、竖向湍流强度随高度的变化。

3.2 阵风因子

阵风因子表示风的脉动强度,定义为短时距(tg,一般取3 s)内平均风速的最大值与较长参考时间T平均风速的比值,表达式为:

(5)

(6)

(7)

式中:Gi(u,v,w)分别为纵向、横向和竖向阵风因子;max(u(tg)),max(v(tg)),max(w(tg))分别为纵向、横向及竖向脉动风在阵风持续时距tg内平均最大风速。

为了研究阵风因子随平均风速的变化情况,图8给出了不同高度处纵、横和竖向阵风因子随10 min平均风速的变化。从图中可以看出,与湍流强度类似,不同高度处各向阵风因子随平均风速的变化趋势相近,均随着平均风速的增大而减小,在平均风速较小时呈下降趋势,平均风速大于7.25 m/s时,阵风因子较平稳。其中,如表3所示,15 m高度处纵向、横向及竖向阵风因子均值分别1.949、1.062、0.793,三者比值为1∶0.55∶0.41;82 m高度处三向均值分别为1.555、0.884、0.647,三者比值为1∶0.57∶0.42;均大于台风“米雷”和台风“杰拉华”实测结果,这可能是因为庞加斌等[10]的观测地点在台风内核区域,距离台风中心较近为117.07 km、陈斌的观测地点距离台风中心仅10 km,而本文处于河谷地形且距离台风中心较远,有755.6 km。

表3 实测阵风因子对比

图8 不同高度处各向阵风因子随平均风速的变化

与湍流强度类似,阵风因子会随时距的变化而变化[13],本文也对两者之间变化关系进行了研究,图9给出了各高度(以15 m和82 m为例)不同风速下纵向、横向和竖向的阵风因子随时距的变化。由图可知,不同高度下各向阵风因子随时距的变化趋势基本一致,均随时距的增大而减小,并随着高度的增加,其衰减的速率逐渐变缓。当时距tg大于1000 s时纵向和横向阵风因子最终大致趋向于1,竖向阵风因子趋近于0。

图9 不同高度平均风速下纵、横和竖向阵风因子随时距变化

为了直观地掌握各向阵风因子随高度的变化规律,基于实测结果,图10给出了各向阵风因子随高度的变化关系。由图可知,各向阵风因子随高度的增大而减小。本文参考湍流强度剖面表达式,对各向阵风因子进行了形如Gi=α(15/Z)β的指数型拟合,拟合结果在低层适用性不理想,高层适用性良好。但总体上看,各向拟合公式可以较好地反映出阵风因子随高度的变化规律。湍流强度和阵风因子都是脉动风特性分析中的重要参数,CHOI[17]、CAO等[18]等研究已表明阵风因子和湍流度之间存在密切的相关性,并给出了下列经验表达式:

图10 阵风因子随高度的变化

(8)

式中:a、b为待定参数;t为平均风时距,取10 min;tg为阵风持续时间,取3 s。CHOI[17]建议取值a=0.62、b=1.27,CAO建议a=0.5、b=1.15。

本文分别对15 m和82 m处纵向阵风因子与湍流强度的关系进行线性拟合,以及形如式(8)所示的非线性拟合,并与CHOI建议经验曲线进行对比。15 m高度处线性拟合结果为Gu=2.814Iu+0.54,非线性拟合结果为a=1.023,b=2.423;82 m高度处线性拟合结果为Gu=3.157Iu+0.583,非线性拟合结果a=0.656,b=1.836。如图11所示,从图中可以看出,不同高度处,湍流强度随着阵风因子的增加而增加,当湍流强度较大时,阵风因子呈发散趋势。Gu线性和非线性拟合结果较为接近,在15 m处线性拟合优于非线性拟合;在82 m 处非线性拟合优于线性拟合,实测结果较CHOI建议经验结果偏小,这说明不同测试环境所得结果有所差异,且台风具有独特性。

图11 湍流强度与阵风因子关系

3.3 峰值因子

峰值因子也用来表征脉动风的瞬时强度,表达式为:

(9)

图12 不同高度峰值因子随10 min平均风速变化 图13 峰值因子与阵风因子变化的关系

现有研究少有关注阵风因子和峰值因子之间的相互关系,本文基于实测结果,给出了不同高度峰值因子随阵风因子的变化规律(见图13)。峰值因子随着阵风因子变化具有明显的相关性;当Gu<1时,峰值因子随着阵风因子的增大而急剧减小,当Gu>1时,峰值因子随着阵风因子的增大而缓慢增大,其增长的速率随高度的增加而减小,并呈现一定的线性关系,当阵风因子较大时,峰值因子较为离散。

图14为各高度不同时风速峰值因子随时距的变化,由图可知,不同平均风速下各高度峰值因子随时距变化趋势基本一致,都随时距的增大而减小,并且随着高度的增加,其衰减的速率逐渐减缓。

图14 各高度不同风速峰值因子随时距的变化

3.4 脉动风速功率谱

脉动风速功率谱是湍流特性的重要数字特征,能够准确地描述湍流能量在频域内的分布状况和反映脉动风各频率成分所做贡献的大小。根据Kolmogorov湍流理论,脉动风速功率谱的一般经验表达式[19]如式(10):

(10)

式中:Su(f)为脉动风速功率谱;u*为剪切波速(在风工程中,一般用脉动风速均方根值σu来表示);f为莫宁坐标;A、B、α、β和γ为5个待定参数。

基于实测数据,各国学者考虑了多种因素(如高度和方向等),提出了很多具有代表性的风速谱表达式,如Von-Karman谱,Davenport谱,Simiu谱,Harris谱和Lumley-Panofsky谱等[20],其对应公式或相关参数如表4所示。最后根据实测结果并对比各类经验谱表明,Von-Karman谱[21]能够真实地反映脉动风的特征。

表4 各经验谱的相关参数或公式

图15给出了平均风速较大时段15、53、82 m高度处各向脉动风速实测功率谱以及与之对应的不同脉动风速经验谱。由图可知,纵向脉动风速功率谱与Von-Karman谱吻合较好,与Davenport谱,Simiu谱,Harris谱吻合较差,Davenport谱,Simiu谱和Harris谱在实测频率范围内均远大于实测谱,这说明Von-Karman谱能更好地刻画纵向脉动风速的变化;横向脉动风速功率谱谱值在低、中频段与Von-Karman谱吻合较好,在高频段明显大于Von-Karman谱谱值;竖向脉动风速功率谱谱值在低、中频段与Von-Karman谱和Lumley-Panofsky谱均吻合良好,在高频段Lumley-Panofsky谱明显大于实测谱、Von-Karman谱小于实测谱。

图15 15、53、82 m高度脉动风速功率谱

4 结论

本文基于安装在测风塔不同高度处的三维风速仪,对台风“谭美”作用下福建宁德地区实测风速时程数据进行平均风特性和脉动风特性分析,得到以下结论:

1) 各高度各向湍流强度和阵风因子均随着平均风速的增大而下降,且具有一定的线性关系,当平均风速大于7.25 m/s时,变化趋势较为平稳。根据各国规范,通过指数型拟合得到了湍流强度和阵风因子剖面经验表达式。

2) 峰值因子随平均风速的增大而减小,在风速较小区域,峰值因子较为集中,在风速较大区域,峰值因子变化相对平稳。

3) 不同高度处各向湍流强度、阵风因子和纵向峰值因子均随时距的增大而减小。

4) 纵向阵风因子与湍流强度存在较强的相关性,其线性拟合与非线性拟合结果较为接近,均小于CHOI建议的经验计算结果。与湍流强度类似,峰值因子与阵风因子也存在相似线性关系,且在阵风因子较大时,峰值因子较为离散。

5) 实测台风“谭美”纵向脉动风速功率谱与Von-Karman谱吻合良好,而横向和竖向脉动风速功率谱与Lumley-Panofsky谱和Von-Karman谱在中、低频段吻合较好,高频段吻合效果较差。