本发明涉及山地风研究技术领域，具体涉及一种独立山丘地形迎风坡风速修正系数计算方法。
背景技术：
自然界的各类微地形中，独立山丘、抬升、垭口、峡谷等地形都会对风速产生较大的影响。国内外学者对山地风加速效应在观测、理论分析和数值模拟计算方面都做了很多研究和探讨，也取得了很多有意义的成果。
在现实自然风环境下进行测风观测实验是进行山地风研究最直接有效的方法。在20世纪80年代，国外进行了若干现场测风实验，主要有黑山实验，blashavalhill实验，askerveinhill实验，kettleshill和hjardemal实验。在这些观测实验中，askerveinhill实验是最为知名和被引用最广泛的一个例子。为了验证数值模式对复杂地形风的模拟结果，丹麦国家实验室
为了能更好地在实际工程应用中估算地形对风速的影响，一些学者在实际观测和风洞试验的基础上进一步提出了计算山地风速的模型公式。jason和hunt最先通过解析方法提出了光滑山体加速效应的理论计算方法。mason和sykes在jason和hunt的理论基础上将其计算方法推广到了三维山体。taylor等推出了通过计算不同山体最大风速修正系数从而进一步计算离地面不同高度处风速修正系数的模型，称为“originalguidelines”，随后wensongweng又对“originalguidelines”模型作了进一步的改善，改善后的模型称为“msfd”模型[12]。我国部分科研机构也就地形对风速的影响进行了一些很有意义的研究。华北电力设计院和中国气象科学研究院合作采用taylor和lee的guide模型，进行了平地与高山风速转换。中南电力设计院1991年与国家气象中心气候应用室对“南方高山-平地气象条件关系”进行了研究，考虑不同地形和地表粗糙度对山顶风速的影响，并针对实际工作中资料的选取情况，对模式进行了改进，也取得了不错的效果。
由于进行现场测风需要耗费巨大的人力物力，且受自然环境等诸多因素影响，而数值模拟能将实际下垫面的空气运动进行定量化研究。上世纪70年代anthes和warner建立了适合于讨论空气污染等中尺度天气问题的数值模式，machrer和pielke建立了复杂地形上的气象模拟模式，这类三维中尺度模式包含的物理过程多，对初始资料及计算机条件要求高，主要用于理论研究。中尺度大气数值模式在上世纪80年代已有相当发展，进入90年代，一些中尺度大气数值模式和模拟系统已发展的相当先进，并在世界范围广为使用。在气象领域，对风速的数值模拟分析多采用中尺度模式，如mm5、wrf等。近年来，计算流体力学(computationalfluiddynamics，cfd)类的模式在国际科学研究中得到了广泛应用，尤其在风工程计算方面。国内李磊等人通过cfd软件fluent，选取北京地区佛爷顶地面观测站的周边区域进行了数值模拟试验，通过与观测资料的对比，探讨fluent用于复杂地形风场模拟的可行性和准确性。
根据《建筑结构荷载规范》(gb50009-2012)第8.2.2条规定提出了独立山丘山坡顶点风速修正系数计算公式，迎风坡山脚和背风坡山脚风速修正系数均为1，坡面上的风速修正系数由山顶与山脚系数线性插值方法计算。但根据现场实测、风洞试验和数值模拟三种方法研究表明，背风侧风速修正系数小于1，与规范不一致。
技术实现要素：
本发明的目的就是针对现有技术的缺陷，提供一种独立山丘地形迎风坡风速修正系数计算方法，弥补了现有规范的不足。
本发明的技术方案是：
一种独立山丘地形风速修正系数计算方法，其特征在于包括以下步骤：
第一步，测量山体全高h，单位为m；
第二步，测量迎风坡山体坡度α，单位为角度；
第三步，测量迎风坡建筑物位置地表海拔高度z，单位为m；
第四步，将山体高度、山体坡度和建筑物位置地表海拔高度代入以下公式，计算得出风度修正系数η：
当山体坡度为5°～35°时，建筑物位置离地10m高风速修正系数计算公式如下：
当山体坡度为35°～60°，建筑物位置离地10m高风速修正系数计算公式如下：
其中，
k为山高修正系数。
本发明提供了一种独立山丘地形风速修正系数计算方法，其有益效果在于：以往山地风的研究成果多为规律总结，《建筑结构荷载规范》提出的风速修正系数计算公式成果合理性较差，本发明的计算成果合理，与实测值更接近。现有技术中，《建筑结构荷载规范》提出的风速修正系数在山脚下取值为1，根据风场原理分析，山脚下的建筑物受山体阻挡效应影响，且现场实测、风洞试验和数值模拟三种方法研究结果均显示山脚处风速修正系数小于1，采用数值模拟成果数据拟合得到的本发明山脚处的风速修正系数也小于1。采用本发明的计算方法，山脚下的风速修正系数均可精确到小于1，并且经过与风洞试验的结果相比较，显示误差很少。
本发明通过数值模拟得出，并通过风洞试验和实测数据进行验证，结果精确可靠，可供工程中使用。通过风洞试验得到的武汉某山山顶两个位置的风速修正系数分别为1.56和1.63，本发明的计算结果分别为1.50和1.37，误差分别为3.8％和16.0％。
附图说明
图1是计算方法推导流程图。
图2是100m山高、45°山坡余弦型山体模型尺寸，缩尺比为1:500；其中，模型的高度为0.2m，底部直径为0.4m。
图3是风洞试验成果图，x＝0m代表测风点位于山体中心，x＝-567m代表测风点位于迎风坡距山体中心567m处，x＝567m代表测风点位于背风坡距山体中心567m处，以此类推。
图4是数值模拟成果图，图例格式与图3中图例相同。
图5是某山地形图及测风点位置；
图6是某山测风点地理参数及风速修正系数计算结果。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施例对本发明作进一步的详细说明，便于清楚地了解本发明，但它们不对本发明构成限定。
如图1所示，本发明提供了一种独立山丘地形风速修正系数计算方法，其特征在于包括以下步骤：
第一步，测量山体全高h，单位为m；
第二步，测量迎风坡山体坡度α，单位为角度；
第三步，测量迎风坡建筑物位置地表海拔高度z，单位为m；
第四步，将山体高度、山体坡度和建筑物位置地表海拔高度代入以下公式，计算得出风度修正系数η：
当山体坡度为5°～35°时，建筑物位置离地10m高风速修正系数计算公式如下：
当山体坡度为35°～60°，建筑物位置离地10m高风速修正系数计算公式如下：
其中，
k为山高修正系数。
下面进一步说明本发明中计算公式的推导步骤：
(1)风洞试验方法
a、制作独立山丘物理模型，采用余弦形山体，模型缩尺比1:500，适度增加模型表面粗糙度，制作数个不同坡度与山高的物理模型。
b、实测模型处不同离地高度风速，用实测风速与初始风速比值计算风速修正系数，绘制风速修正系数分布曲线。
(2)数值模拟方法
a、采用ansys软件制作独立山丘模型，模型的坡度与山高与风洞试验采用的模型完全一致。
b、对模型空间进行结构化网格划分，在模型地表区域加密网格。
c、数值计算模型处不同离地高度风速，用实测风速与初始风速比值计算风速修正系数，绘制风速修正系数分布曲线。
(3)对比相同坡度与山高模型的风洞试验结果和数值模拟结果，分析差异及原因，用风洞试验结果验证数值模拟结果的可靠性。
(4)采用ansys软件拓展建立各种山高与坡度的独立山丘模型，数值计算模型上方不同离地高度风速，计算风速修正系数。
(5)根据数值模拟得到的不同坡度与山高的风速修正系数，采用最小二乘法进行公式拟合，得到不同坡度与山高的风速修正系数计算公式。
图2中给出了某模型示意图，图3中给出了模型中几个测风点的风速修正系数通过风洞试验的测量结果。图4标注出了上述测风点通过本发明提供的计算方法得到的风速修正系数计算结果。通过比较图3和图4，可以看出本发明采用的计算方法与实验结果近似。而且山脚位置的风速修正系数，无论是通过风洞试验或者本发明计算获得均小于1，较之传统计算方法，本发明有效提高了计算精度。
本发明涉及独立山丘地形风速修正系数计算方法，即独立山丘地形迎风坡离地10m高风速修正系数，提出了风速修正系数与山体坡度和山高的相关关系，下面就某山地形进行说明：
如图5所示，某山山顶与山脚高差约140m，其周围地势开阔平坦，东南侧紧临长江，属典型的独立山丘地形。在某山山顶和山坡选择1号测风点和2号测风点，根据地形图量算各测风点的地理参数，根据量算得到的地理参数代入公式结果计算风速修正系数，得到图6所示的计算结果。通过风洞试验得到的武汉某山山顶两个位置的风速修正系数分别为1.56和1.63，本发明的计算结果分别为1.50和1.37，误差分别为3.8％和16.0％。
本说明书未作详细描述的内容属于本领域专业技术人员公知的现有技术。