本发明涉及输电线路机防灾减灾领域，具体涉及一种台风风场的模拟方法及系统。
背景技术：
随着全球气候变暖影响愈发深入，台风的发生频次和危害程度不断增加，伴随台风引起的大风、暴雨以及风暴潮带来的损失无法估计。
目前，通过对台风风场的现场实测，已经初步掌握了台风风场与常规风风场的差异。在理论计算领域，按照实测台风风速序列进行输电线路加载与常规风响应计算差别不大，但是如何在常规风洞中，对三维的、时变的台风风场进行模拟，目前风洞实验室的建设技术无法实现，而且在模拟过程中，如何确定台风风场剖面特征，在众多台风风场剖面特征中很容易漏掉最不利台风风场剖面特征。
技术实现要素：
为了解决现有技术中所存在的上述不足，本发明提供一种台风风场的模拟方法及系统。在理论分析的基础之上，确定所需模拟的台风风场时刻，将这一时刻对应的二维风速剖面特征进行模拟，从而在风洞实验室中实现台风风场模拟。
本发明提供的技术方案是：一种台风风场的模拟方法，包括：
根据获取的风场特性参数计算不同工况下输电铁塔主材应力比；
利用所述风场特性参数和不同工况下的输电铁塔主材应力比确定不同的台风风场剖面特征；
基于所述台风风场剖面特征和被动模拟装置在风洞中进行台风风场模拟，其中所述被动模拟装置包括：尖劈、粗糙元和格栅。
优选的，所述根据获取的风场特性参数计算不同工况下输电铁塔主材应力比，包括：
基于平均风速、湍流强度和对应的风剖面指数选择工况；
对不同工况下的输电铁塔进行受力分析，计算输电铁塔主材应力比；
其中所述选择的工况包括：平均风速和湍流强度各自出现最大值的时刻，以及风剖面指数出现最小值的时刻。
优选的，所述输电铁塔主材应力比，按下式计算：
式中，f1：输电铁塔主材应力比；σc,max：最大压应力；σy：材料区域应力；
或
式中，σt,max：最大拉应力。
优选的，所述最大拉应力和最大压应力，分别按下式计算：
式中，n：轴力；f：剪力；m：弯矩；a：截面面积；wz：截面抗弯系数；
优选的，所述利用不同工况下的所述风场特性参数和输电铁塔主材应力比确定不同的台风风场剖面特征，包括：
根据所述风场特性参数和输电铁塔主材应力比绘制随工况变化的曲线；
每一条曲线对应一种台风风场剖面特征。
优选的，所述基于所述台风风场剖面特征和被动模拟装置在风洞中进行台风风场模拟，包括：
当所述输电铁塔主材应力比最大时对应的台风风场剖面特征为第一台风风场剖面特征；
通过被动模拟装置以所述第一台风风场剖面特征为目标，通过调试所述尖劈、粗糙元和格栅的几何尺寸及排列间距，实现符合所述第一台风风场剖面特征的台风风场模拟。
基于同一发明思路，本发明还提供了一种台风风场的模拟系统，包括：
计算模块，用于根据获取的风场特性参数计算不同工况下输电铁塔主材应力比；
确定模块，用于利用所述风场特性参数和不同工况下的输电铁塔主材应力比确定不同的台风风场剖面特征；
模拟模块，用于基于所述台风风场剖面特征和被动模拟装置在风洞中进行台风风场模拟，其中所述被动模拟装置包括：尖劈、粗糙元和格栅。
优选的，所述计算模块，包括：
选择单元，用于基于平均风速、湍流强度和对应的风剖面指数选择工况；
计算单元，用于对不同工况下的输电铁塔进行受力分析，计算输电铁塔主材应力比；
条件单元，用于根据平均风速和湍流强度各自出现最大值的时刻，以及风剖面指数出现最小值的时刻选择工况。
优选的，所述确定模块，包括：
绘制单元，用于根据所述风场特性参数和输电铁塔主材应力比绘制随工况变化的曲线；
关系单元，用于每一条曲线对应一种台风风场剖面特征。
优选的，所述模拟模块，包括：
确定单元，用于当所述输电铁塔主材应力比最大时对应的台风风场剖面特征为第一台风风场剖面特征；
模拟单元，用于通过被动模拟装置以所述第一台风风场剖面特征为目标，通过调试所述尖劈、粗糙元和格栅的几何尺寸及排列间距，实现符合所述第一台风风场剖面特征的台风风场模拟。
与最接近的现有技术相比，本发明提供的技术方案具有以下有益效果：
本发明提供的技术方案，根据获取的风场特性参数计算不同工况下输电铁塔主材应力比；利用不同工况下的所述风场特性参数和输电铁塔主材应力比确定不同的台风风场剖面特征；基于所述台风风场剖面特征和被动模拟装置在风洞中进行台风风场模拟，将随时间变化的三维台风风场进行简化，使其变为不同工况下可模拟的二维台风风场。
本发明提供的技术方案，在进行台风风场模拟的同时，当输电铁塔主材应力比最大时对应的台风风场剖面特征为最不利台风风场剖面特征，不会遗漏台风最不利参数组合情况下的风场模拟。
附图说明
图1为本发明一种台风风场模拟方法的流程图；
图2为本发明实施例中台风风场特性参数随时间变化曲线示意图；
图3为本发明实施例中某型大跨越杆塔结构及风压分段示意图；
图4为本发明实施例中输电铁塔在各工况下的主材应力比沿塔身分布示意图；
图5为本发明实施例中最不利台风剖面(a)平均风速剖面(b)湍流强度剖面；
图6为本发明实施例在风洞中通过被动装置模拟的最不利台风剖面；
图7为本发明实施例在风洞中模拟的台风剖面与最不利台风剖面对比(a)平均风速剖面(b)湍流强度剖面。
具体实施方式
为了更好地理解本发明，下面结合说明书附图和实例对本发明的内容做进一步的说明。
实施例1
图1为一种台风风场模拟方法的流程图，如图1所示，包括：
步骤s101，根据获取的风场特性参数计算不同工况下输电铁塔主材应力比；
步骤s102，利用所述风场特性参数和不同工况下的输电铁塔主材应力比确定不同的台风风场剖面特征；
步骤s103，基于所述台风风场剖面特征和被动模拟装置在风洞中进行台风风场模拟，其中所述被动模拟装置包括：尖劈、粗糙元和格栅。
进一步的，步骤s101，根据获取的风场特性参数计算不同工况下输电铁塔主材应力比，包括：
首先，风场特性参数，包括：平均风速、湍流强度和对应的风剖面指数。
其次，选取包含了平均风速和湍流强度各自出现最大值的时刻，以及风剖面指数出现最小值的时刻的多个不同工况；
最后，对选取的工况下的所述风场特性参数组合进行受力分析，计算输电铁塔主材应力比。
其中，输电铁塔主材应力比，按下式计算：
式中，f1：输电铁塔主材应力比；σc,max：最大压应力；σy：材料区域应力；
或
式中，σt,max：最大拉应力。
上式中最大拉应力和最大压应力，按下式计算：
式中，n：轴力；f：剪力；m：弯矩；a：截面面积；wz：截面抗弯系数。
进一步的，步骤s102，利用风场特性参数和不同工况下的输电铁塔主材应力比确定不同的台风风场剖面特征，包括：
根据所述风场特性参数和输电铁塔主材应力比绘制随工况变化的曲线；
每一条曲线对应一种台风风场剖面特征。
进一步的，步骤s103，基于台风风场剖面特征和被动模拟装置在风洞中进行台风风场模拟，包括：
当所述输电铁塔主材应力比最大时对应的台风风场剖面特征为第一台风风场剖面特征；
本实施例中，第一台风风场剖面特征即最不利台风风场剖面特征；
通过采用尖劈、粗糙元和格栅被动模拟装置，以所述最不利台风风场剖面特征为目标，通过调试所述尖劈、粗糙元和格栅的几何尺寸及排列间距，实现符合所述最不利台风风场剖面特征的台风风场模拟。
实施例2
(1)根据获取的风场特性参数计算不同工况下输电铁塔主材应力比
以某次台风风场特性参数为例，图2为a类地貌区域内的观测塔观测到的不同高度处平均风速和湍流强度，以及对应的风剖面指数等风场特性参数，随时间的变化曲线。
考虑到台风行进过程中，输电杆塔与台风中心的相对位置在不断变化，台风自身风场随时间也在不断发生变化，而杆塔内力同时受到平均风速、风剖面指数及湍流强度三者的共同影响。
为对上述三个参数的影响差异加以区分，选取了5个不同时段的风场进行研究。这5个时段分别包含了平均风速和湍流强度各自出现最大值的时刻，以及风剖面指数出现最小值的时刻，从而尽可能的保证三种参数共同作用下的最不利荷载工况不会遗漏。
表1给出了选取的特定时段内风场特性参数取值。
表1
进一步，分析输电铁塔杆件受力随台风风场参数的变化规律
选取如图3所示的输电铁塔为工况背景，按照表1中确定的风场特性参数组合，对其开展受力分析，计算得到所选取的特定工况下的输电铁塔主材应力比。
如图4所示，为计算得到所选取的特定工况下的输电铁塔主材应力比沿塔身分布示意图。
(2)利用不同工况下的所述风场特性参数和输电铁塔主材应力比确定最不利台风风场剖面特征；
对图4分析可知，工况4所得杆件应力比最大，在风洞中对台风风场进行模拟时，这一时刻对应的平均风速和湍流强度剖面是必须进行模拟的最不利剖面，这一时刻对应的最不利剖面特征如图5所示，其中(a)平均风速剖面(b)湍流强度剖面。
(3)基于所述最不利台风风场剖面特征和被动模拟装置在风洞中进行台风风场模拟，其中所述被动模拟装置包括：尖劈、粗糙元和格栅
如图6所示，采用尖劈、粗糙元和格栅等被动装置，在风洞中通过调整尖劈几何尺寸，调整粗糙元的排列间距，以及格栅的间距得到了如图7所示的台风风场剖面，并与目标最不利台风剖面进行了对比，其中(a)平均风速剖面(b)湍流强度剖面。
对比显示，简化后的二维台风风场剖面得到了较为良好的模拟。
基于同一发明构思，本实施例还提供了一种台风模拟的模拟系统，包括：
计算模块，用于根据获取的风场特性参数计算不同工况下输电铁塔主材应力比；
确定模块，用于利用所述风场特性参数和不同工况下的输电铁塔主材应力比确定不同的台风风场剖面特征；
模拟模块，用于基于所述台风风场剖面特征和被动模拟装置在风洞中进行台风风场模拟，其中所述被动模拟装置包括：尖劈、粗糙元和格栅。
实施例中，所述计算模块，包括：
选择单元，用于基于平均风速、湍流强度和对应的风剖面指数选择工况；
计算单元，用于对不同工况下的输电铁塔进行受力分析，计算输电铁塔主材应力比；
条件单元，用于根据平均风速和湍流强度各自出现最大值的时刻，以及风剖面指数出现最小值的时刻选择工况。
实施例中，所述确定模块，包括：
绘制单元，用于根据所述风场特性参数和输电铁塔主材应力比绘制随工况变化的曲线；
关系单元，用于每一条曲线对应一种台风风场剖面特征。
实施例中，所述模拟模块，包括：
确定单元，用于当所述输电铁塔主材应力比最大时对应的台风风场剖面特征为第一台风风场剖面特征；
模拟单元，用于通过被动模拟装置以所述第一台风风场剖面特征为目标，通过调试所述尖劈、粗糙元和格栅的几何尺寸及排列间距，实现符合所述第一台风风场剖面特征的台风风场模拟。
本领域内的技术人员应明白，本申请的实施例可提供为方法、系统、或计算机程序产品。因此，本申请可采用完全硬件实施例、完全软件实施例、或结合软件和硬件方面的实施例的形式。而且，本申请可采用在一个或多个其中包含有计算机可用程序代码的计算机可用存储介质(包括但不限于磁盘存储器、cd-rom、光学存储器等)上实施的计算机程序产品的形式。
本申请是参照根据本申请实施例的方法、设备(系统)、和计算机程序产品的流程图和/或方框图来描述的。应理解可由计算机程序指令实现流程图和/或方框图中的每一流程和/或方框、以及流程图和/或方框图中的流程和/或方框的结合。可提供这些计算机程序指令到通用计算机、专用计算机、嵌入式处理机或其他可编程数据处理设备的处理器以产生一个机器，使得通过计算机或其他可编程数据处理设备的处理器执行的指令产生用于实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能的装置。
这些计算机程序指令也可存储在能引导计算机或其他可编程数据处理设备以特定方式工作的计算机可读存储器中，使得存储在该计算机可读存储器中的指令产生包括指令装置的制造品，该指令装置实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能。
这些计算机程序指令也可装载到计算机或其他可编程数据处理设备上，使得在计算机或其他可编程设备上执行一系列操作步骤以产生计算机实现的处理，从而在计算机或其他可编程设备上执行的指令提供用于实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能的步骤。
以上仅为本发明的实施例而已，并不用于限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均包含在申请待批的本发明的权利要求范围之内。