一种确定水平运动下击暴流风剖面的方法
【专利摘要】本发明提供一种确定水平运动下击暴流风剖面的方法，包括以下步骤：步骤1：模拟下击暴流的射流模型；步骤2：将射流模型转化为数值计算模型；步骤3：确定水平运动下击暴流风剖面。本发明基于全尺寸计算流体动力学（Computational?Fluid?Dynamics，CFD）模拟结果，提出了下击暴流的风速计算公式，为工程设计提供理论参考，该发明形式简洁、考虑因素周全，精度高，且计算高效。
【专利说明】 —种确定水平运动下击暴流风剖面的方法
【技术领域】
[0001]本发明属于线路风载荷【技术领域】，具体涉及一种确定水平运动下击暴流风剖面的方法。
【背景技术】
[0002]下击暴流为雷暴天气中急速下沉气流猛烈撞击地面后形成的一种强风。该强风的水平风速在近地面区域内随高度增大而迅速增加，在较小的高度处(20?100m)即达到峰值速度(峰值速度可达70m/s)，这对落在强风影响高度范围内的建筑物如输电铁塔等具有极强的破坏力。如2005年6月14日，下击暴流引发了江苏泗阳500kV任上5237线一次性传到10座输电塔的事故；根据美国、澳大利亚及南非等国对输电塔倒塔事故原因的分析，50%以上与天气灾害相关的输电塔倒塔事故均是在下击暴流或者龙卷风等强风灾害引起的。
[0003]近年来，受全球气候恶化的影响，不仅下击暴流的出现频率增高而且其灾难性后果也越发严重，这使得国内外科研人员针对下击暴流的风场特性继续开展了大量的研究工作，如现场观测、基于缩比模型的试验和数值模拟研究以及风剖面的经验公式研究等。但工程设计不可能等待现场观测的下击暴流风剖面结果，而试验模拟与数值模拟的周期较长、费用昂贵，因此，形式简洁、计算高效的风剖面经验公式在工程设计领域得到了广发的应用，并且科研人员也在不断改进相关的风剖面公式，使其更为逼近实测结果。
[0004]以往的风剖面经验公式研究几乎全部集中在轴对称稳态风剖面的拟合上，并且得到了丰富的研究成果；但是下击暴流不仅包括了轴对称稳态情况，同样还有水平运动的下击暴流，并且这种下击暴流在其运动方向上的风速更强，更容易造成高层建筑如输电铁塔等的破坏。对于运动下击暴流的风剖面研究，只有Holmes等人[Holmes, J.D, Oliver7S.E.,2000.An empirical model of a downburst.Engineering Structures, 22,1167-1172]提出了下击暴流平动速度与稳态风剖面速度直接线性叠加来计算运动风剖面的方法。但由于下击暴流流动的强分线性特性，仅采用线性叠加方法来进行速度叠加，会错误地预测非线性风场内的风速。
【发明内容】
[0005]为了克服上述现有技术的不足，本发明提供一种确定水平运动下击暴流风剖面的方法，基于全尺寸计算流体动力学(Computational Fluid Dynamics, CFD)模拟结果,提出了下击暴流的风速计算公式，为工程设计提供理论参考，形式简洁、精度高，且计算高效。
[0006]为了实现上述发明目的，本发明采取如下技术方案:
[0007]提供一种确定水平运动下击暴流风剖面的方法，所述方法包括以下步骤:
[0008]步骤1:模拟下击暴流的射流模型；
[0009]步骤2:将射流模型转化为数值计算模型；
[0010]步骤3:确定水平运动下击暴流风剖面。
[0011 ] 所述步骤I中，基于计算流体动力学，并采用三维N-S方程模拟水平运动下击暴流的射流模型，通过RSM湍流模型封闭三维N-S方程。
[0012]所述三维N-S方程包括质量方程和动量方程；
[0013]其中质量方程为:
【权利要求】
1.一种确定水平运动下击暴流风剖面的方法，其特征在于:所述方法包括以下步骤: 步骤1:模拟下击暴流的射流模型； 步骤2:将射流模型转化为数值计算模型； 步骤3:确定水平运动下击暴流风剖面。
2.根据权利要求1所述的确定水平运动下击暴流风剖面的方法，其特征在于:所述步骤I中，基于计算流体动力学，并采用三维N-S方程模拟水平运动下击暴流的射流模型，通过RSM湍流模型封闭三维N-S方程。
3.根据权利要求2所述的确定水平运动下击暴流风剖面的方法，其特征在于:所述三维N-S方程包括质量方程和动量方程； 其中质量方程为:
4.根据权利要求1所述的确定水平运动下击暴流风剖面的方法，其特征在于:所述步骤2的将射流模型转化为数值计算模型中，利用边界条件来施加计算参数；所述边界条件包括下击暴流速度入口、压力出口和无滑移地面； 所述计算参数包括下击暴流入口高度、入口直径、入口速度和水平运动速度。
5.根据权利要求1所述的确定水平运动下击暴流风剖面的方法，其特征在于:所述步骤3包括以下步骤: 步骤3-1:对风剖面进行无量纲化处理； 步骤3-2:计算水平运动下击暴流的风速V' Ε；Το
6.根据权利要求5所述的确定水平运动下击暴流风剖面的方法，其特征在于:所述步骤3-1中，利用下击暴流的入口速度对计算得到的U2进行无量纲化，并利用下击暴流的入口直径对下击暴流的ζ坐标进行无量纲化。
7.根据权利要求5所述的确定水平运动下击暴流风剖面的方法，其特征在于:所述步骤3-2中，采用非线性修正方法计算水平运动下击暴流的风速V Ε；τ ； V' Ε；τ表示为: V' ε,τ = VE+f(R) XUt (4) 其中，Vk为对应的位置R处的静态下击暴流的风速，且满足Vk=U2 ；Ut为下击暴流水平运动速度，其中f(R)表示为: 其中，Rumax为最大水平风速的径向坐标，erf (R)表示为:
【文档编号】G06F17/50GK103473386SQ201310246575
【公开日】2013年12月25日 申请日期:2013年6月20日 优先权日:2013年6月20日
【发明者】党会学, 杨风利, 杨靖波 申请人:国家电网公司, 中国电力科学研究院, 湖南省电力公司, 江苏省电力公司电力科学研究院