基于壁面射流的下击暴流理论及输电塔线体系风振分析方法

More than 80% existing collapses of transmission tower related to weather is due to strong winds such as thunderstorm and downburst. The wind filed theory of downburst and the researches about large scale aeroelastic model wind tunnel experiments of transmission tower-line system have been seriously lagging behind the engineering practice. Most of the region of the downburst belong to the wall jet section. Through the modification of the traditional wind tunnel equipped with a fan and nozzle, the downburst wall jet wind field test and the large scale rigid section and aeroelastic wind tunnel test of transmission tower line system are carried out under downburst in this project. The key work will focus on the effects of wall roughness of downburst wall jet section, the entrance Reynolds number and the types of co-flow on the law of the horizontal and vertical wind profiles, the heights of the maximum wind speed, the rules close to the wall etc. The revision and reconstruction of the horizontal development section wind field of downburst will be performed based on the wall jet theory. Thus, the quasi-steady and unsteady of the aerodynamic load model, the law of aerodynamic damping and the aeroelastic response of large scale transmission tower line system will be comprehensively examined in the traditional wind tunnel. Furthermore, the design approach of transmission tower line system suffering from the downburst will be proposed. Research results are of great practical value and scientific significance for the exact predicting on disaster and aerodynamic study of transmission tower structure suffering from the downburst.

现有80%以上与天气有关的输电塔结构的倒塌是由雷暴天气的下击暴流等强风所致。下击暴流风场理论及大比例尺的输电塔气动弹性模型风洞试验研究已经严重落后于工程实践。下击暴流的大部分区域是处于壁面射流段，本项目通过对传统风洞加装风机和喷嘴的改装，实现对下击暴流的壁面射流段风场试验及下击暴流中大比例尺输电塔线体系的刚性测力和气动弹性风洞试验。重点研究下击暴流中壁面射流段壁面粗糙度、入口雷诺数、水平协同流等对壁面射流区域水平和竖向风剖面、最大风速高度、壁面流场等规律的影响。采用壁面射流理论修正和再现下击暴流水平发展段风场,从而在传统风洞中全面考察下击暴流中大比例尺输电塔线体系的准定常和非定常气动荷载模型、气动阻尼和响应规律等研究目标，进一步提出考虑下击暴流的输电塔线体系设计方法。研究成果对于精确实现输电塔结构在下击暴流下的防灾减灾及空气动力学研究具有重要的工程实用价值和科学意义。

项目提出了一种采用壁面射流数值和物理方法模拟下击暴流风场的理论模型，考虑了壁面粗糙度对壁面射流流场的影响，提出了输电塔线体系在下击暴流频域与时域分析的方法，为下击暴流作用下输电塔的抗风提供参考，主要工作如下：.（1） 提出了平面壁面射流模拟最合适、经济的模拟方法。采用七种不同的RANS湍流模型对平面壁面射流进行二维稳态数值模拟，初步评价各湍流模型对壁面射流的模拟性能。考虑了不同的壁面射流的几何参数，对边界层风洞模拟有协同流壁面射流的各种参数进行研究。.（2） 研究了壁面粗糙度影响壁面射流近壁面区域的规律，研究了大涡模拟中网格密度、时间步长和亚格子模型等参数选取对模拟结果的影响，分析了不同出流参数对下击暴流风场模型特征长度以及特征速度的影响。.（3） 采用SWRSM模型对有协同流受限壁面射流试验进行模拟研究，考虑不同的壁面射流的几何参数，对边界层风洞模拟有协同流壁面射流的各种参数进行分析，包括风洞的几何尺寸以及风速比大小。分析了不同出流参数对下击暴流风场模型特征长度以及特征速度的影响，比较了两种物理模型对下击暴流出流段的模拟性能；在平面壁面射流模型入口处引入速度函数，模拟了下击暴流非稳态风速时程。.（4） 改进了壁面射流模型，通过协同流模拟下击暴流云层平动，得到了协同流速度对壁面射流最大风速增大效应的经验表达式。建立了壁面射流协同流速度与冲击射流平移速度的对应关系，准确地通过壁面射流模型得到了下击暴流任意水平移动速度下的最大平均风剖面。.项目实现了在传统风洞中全面考察了下击暴流中大比例尺输电塔线体系的准定常和非定常气动荷载模型、气动阻尼和响应规律等研究目标，进一步提出了考虑下击暴流的输电塔线体系设计方法。研究成果对于精确实现输电塔结构在下击暴流下的防灾减灾及空气动力学研究具有重要的工程实用价值和科学意义。