第五章：大气边界层风特性及其风洞模拟技术

结构抗风试验结构抗风试验第五章第五章大气边界层风特性及其风洞模拟大气边界层风特性及其风洞模拟技术技术朱乐东朱乐东桥梁馆桥梁馆309309TelTel：：6598311665983116××23092309MbMb：：1391658099613916580996同济大学土木工程防灾国家重点实验室SLDRCE,TongjiUniversitySLDRCE,TongjiUniversity结构抗风试验结构抗风试验五：大气边界层风特性及其风洞模拟技术五：大气边界层风特性及其风洞模拟技术第五章内容第五章内容5.55.5：：紊流场的被动模拟技术紊流场的被动模拟技术5.65.6：：紊流场的主动模拟技术紊流场的主动模拟技术5.15.1：：大气边界层概述大气边界层概述5.25.2：：大气边界层风特性大气边界层风特性5.35.3：：风洞试验中的风速测量风洞试验中的风速测量5.45.4：：大气边界层模拟的相似准则大气边界层模拟的相似准则结构抗风试验结构抗风试验五：大气边界层风特性及其风洞模拟技术五：大气边界层风特性及其风洞模拟技术5.15.1大气边界层概述大气边界层概述™™地球大气层地球大气层¾¾厚约厚约10001000kmkmzz对流层：对流层：0~100~10kmkm@@增热主要是依靠吸收地面长波辐射增热主要是依靠吸收地面长波辐射@@温度随高度以约温度随高度以约0.650.65°°C/100mC/100m递减递减@@在一定条件下，局部会出现在一定条件下，局部会出现““逆温逆温””现象现象@@存在强烈对流（竖向运动）存在强烈对流（竖向运动）zz平流层：平流层：10~5010~50kmkm@@气温一般随高度的增加而增加气温一般随高度的增加而增加@@空气几乎是水平流动空气几乎是水平流动zz中间层：中间层：50~8550~85kmkm@@气温随高度急剧下降，空气稀薄、静止气温随高度急剧下降，空气稀薄、静止zz热层：热层：8585kmkm@@太阳短波辐射使气温随高度急剧增加，最高可达太阳短波辐射使气温随高度急剧增加，最高可达20002000°°CC@@空气极其稀薄、静止空气极其稀薄、静止结构抗风试验结构抗风试验五：大气边界层风特性及其风洞模拟技术五：大气边界层风特性及其风洞模拟技术™™对流层的结构对流层的结构5.15.1大气边界层概述大气边界层概述结构抗风试验结构抗风试验五：大气边界层风特性及其风洞模拟技术五：大气边界层风特性及其风洞模拟技术5.15.1大气边界层概述大气边界层概述¾¾自由大气层自由大气层zz风速与高度无关风速与高度无关zz风向与等压线一致风向与等压线一致zz在低、高压区在低、高压区@@曲线等压线曲线等压线@@定常风由气压梯度力、地转偏向力和离心力的平衡条件确定定常风由气压梯度力、地转偏向力和离心力的平衡条件确定zz地面阻滞影响可忽略地面阻滞影响可忽略zz远离低、高压区的气象系统远离低、高压区的气象系统@@近似直线等压线近似直线等压线@@定常风由气压梯度力、地转偏向力平定常风由气压梯度力、地转偏向力平衡条件确定衡条件确定Fc（最终地转偏向力）定常风向P（气压梯度力）高压低压ÆÆ梯度风速：梯度风速：UUGGÆÆ地转风速地转风速：：UUgeogeo结构抗风试验结构抗风试验五：大气边界层风特性及其风洞模拟技术五：大气边界层风特性及其风洞模拟技术¾¾大气边界层大气边界层5.15.1大气边界层概述大气边界层概述zz风速由风速由气压梯度力、地转偏向力、气压梯度力、地转偏向力、离心力和摩擦力离心力和摩擦力的平衡条件确定的平衡条件确定zz风向与等压线呈一定夹角风向与等压线呈一定夹角zz地面阻滞影响地面阻滞影响ÆÆ风速随高度下降而下降，风速随高度下降而下降，地面附近为地面附近为00≈20°zz风速风向随高度呈螺线状变化风速风向随高度呈螺线状变化zz在梯度风高度（边界层高度）：在梯度风高度（边界层高度）：@@风向与等压线一致风向与等压线一致@@风速等于梯度风速度风速等于梯度风速度zz实测资料表明直至实测资料表明直至180180mm高度，平均风方向的改变仍只有几度量级高度，平均风方向的改变仍只有几度量级@@除非结构特别高或对风向较敏感，一般不考虑方向的改变除非结构特别高或对风向较敏感，一般不考虑方向的改变结构抗风试验结构抗风试验五：大气边界层风特性及其风洞模拟技术五：大气边界层风特性及其风洞模拟技术zz近地面层近地面层5.15.1大气边界层概述大气边界层概述@@地面以上约地面以上约100100mm@@大气与地面之间存在着非常强大气与地面之间存在着非常强烈的相互作用烈的相互作用@@地面的地形地貌条件和摩擦的地面的地形地貌条件和摩擦的变化会较直接地影响该层大气变化会较直接地影响该层大气的运动特性的运动特性zz上部摩擦层上部摩擦层@@地面的地形地貌条件和摩擦的地面的地形地貌条件和摩擦的影响减弱影响减弱结构抗风试验结构抗风试验五：大气边界层风特性及其风洞模拟技术五：大气边界层风特性及其风洞模拟技术5.25.2大气边界层风特性大气边界层风特性™™大气边界层具有紊流特性大气边界层具有紊流特性¾¾原因原因zz机械效应机械效应——粗糙地表引起的摩擦效应粗糙地表引起的摩擦效应zz热传导效应热传导效应——温度和热力不平衡引起温度和热力不平衡引起zz假设大气边界层是假设大气边界层是中性中性的的¾¾土木工程结构需要面对的大多数抗风问题都与强风有关土木工程结构需要面对的大多数抗风问题都与强风有关zz机械效应对风特性的影响要远远大于热传导效应机械效应对风特性的影响要远远大于热传导效应zz温度对强风特性的影响可以忽略温度对强风特性的影响可以忽略结构抗风试验结构抗风试验五：大气边界层风特性及其风洞模拟技术五：大气边界层风特性及其风洞模拟技术5.25.2大气边界层风特性大气边界层风特性zz脉动风速总是三维的，可用三个相互正交的分量脉动风速总是三维的，可用三个相互正交的分量uu((tt))、、vv((tt))、、ww((tt))来来表示：表示：@@uu((tt))——与平均风方向一致的脉动分量，称为顺风向脉动风速与平均风方向一致的脉动分量，称为顺风向脉动风速@@vv((tt))——与平均风方向垂直的水平脉动分量，称为水平横风向脉动与平均风方向垂直的水平脉动分量，称为水平横风向脉动风速，或简称横风向脉动风速风速，或简称横风向脉动风速@@ww((tt))——与平均风方向垂直的竖向脉动分量，简称为竖向脉动风速与平均风方向垂直的竖向脉动分量，简称为竖向脉动风速¾¾风速表示风速表示瞬时风速瞬时风速＝＝平均风速平均风速＋＋脉动风速脉动风速结构抗风试验结构抗风试验五：大气边界层风特性及其风洞模拟技术五：大气边界层风特性及其风洞模拟技术5.25.2大气边界层风特性大气边界层风特性¾¾平均风速计算时距平均风速计算时距¾¾各种典型时距与各种典型时距与1010minmin时距对应的平均风速之比的统计值时距对应的平均风速之比的统计值时距时距11hh1010minmin55minmin22minmin11minmin3030ss2020ss1010ss55ss1.161.161.201.201.261.261.281.281.351.351.391.391.071.071.001.0033ss统计比值统计比值0.940.941.501.50zz需要足够长需要足够长zz据国际上气象领域的实践经验，在大多数国家（包括中国）平均据国际上气象领域的实践经验，在大多数国家（包括中国）平均风时距被取为风时距被取为1010minminzz加拿大等一些国家取为加拿大等一些国家取为11hhzz英国、澳大利亚等一些国家取为英国、澳大利亚等一些国家取为2~32~3ss，，即考虑瞬时风速即考虑瞬时风速¾¾不同的平均风时距可导致不同的平均风速不同的平均风时距可导致不同的平均风速结构抗风试验结构抗风试验五：大气边界层风特性及其风洞模拟技术五：大气边界层风特性及其风洞模拟技术¾¾幂函数律是历史上最早被用来幂函数律是历史上最早被用来描述水平均一地貌上的平均风描述水平均一地貌上的平均风剖面的函数形式：剖面的函数形式：()()()rrGGUzUzzUzHαα==zzαα——幂函数指数，常被称为幂函数指数，常被称为地表粗糙度指数地表粗糙度指数，，假设在整个梯度风高度内保持不变假设在整个梯度风高度内保持不变zzzzrr——这里为参考高度，一般取这里为参考高度，一般取1010mm，，或取或取HHGGzzUUrr——为在参考高度为在参考高度zzrr处的风速，即参考风速处的风速，即参考风速zzUUGG——为梯度风高度为梯度风高度HHGG处的风速，即梯度风速处的风速，即梯度风速5.25.2大气边界层风特性大气边界层风特性5.2.15.2.1平均平均风剖面（廓线）风剖面（廓线）™™幂函数律幂函数律结构抗风试验结构抗风试验五：大气边界层风特性及其风洞模拟技术五：大气边界层风特性及其风洞模拟技术5.25.2大气边界层风特性大气边界层风特性¾¾幂函数律形式简单，使用方便幂函数律形式简单，使用方便zz目前许多国家的规范（包括我国规范）都采用幂函数律目前许多国家的规范（包括我国规范）都采用幂函数律¾¾在近地大气边界层中与下述的对数律之间的差别也不大在近地大气边界层中与下述的对数律之间的差别也不大¾¾应用最广的一种平均风剖面近似公式应用最广的一种平均风剖面近似公式5.2.15.2.1平均平均风剖面风剖面（续）（续）™™幂函数律幂函数律（续）（续）结构抗风试验结构抗风试验五：大气边界层风特性及其风洞模拟技术五：大气边界层风特性及其风洞模拟技术5.25.2大气边界层风特性大气边界层风特性¾¾函数形式：函数形式：zzkk——冯卡门常数，等于冯卡门常数，等于0.40.4zzzzdd——被称为零平面位移，是地表粗糙被称为零平面位移，是地表粗糙元的性质、高度和分布的函数，元的性质、高度和分布的函数，zz零平面位移可以理解为零风速高度与零平面位移可以理解为零风速高度与粗糙高度之差粗糙高度之差，，对于城市地貌对于城市地貌*0()lndzzuUzkz−=0dzHzk=−zz——为建筑物的平均高度为建筑物的平均高度H5.2.15.2.1平均平均风剖面风剖面（续）（续）™™对数律对数律（续）（续）结构抗风试验结构抗风试验五：大气边界层风特性及其风洞模拟技术五：大气边界层风特性及其风洞模拟技术5.25.2大气边界层风特性大气边界层风特性¾¾实测结果显示：如果用于计算实测结果显示：如果用于计算100100mm以上高度的平均风速，以上高度的平均风速，将会得到偏保守的结果将会得到偏保守的结果¾¾只考虑了地表粗糙高度，而没有考虑大气边界层高度只考虑了地表粗糙高度，而没有考虑大气边界层高度¾¾只适用于只适用于100100mm以下的近地大气边界层以下的近地大气边界层zz其中，其中，梯度风高度按下式计算：梯度风高度按下式计算：zzffcc＝＝22ΩΩsinsinφφ，，为科里奥利斯参数为科里奥利斯参数¾¾可以适用于可以适用于300300mm高度的修正公式：高度的修正公式：234*0()ln5.751.881.330.25dddddGGGGzzzzzzzzzzuUzkzHHHH⎡⎤⎛⎞⎛⎞⎛⎞−−−−−⎢⎥=+−−+⎜⎟⎜⎟⎜⎟⎢⎥⎝⎠⎝⎠⎝⎠⎣⎦*(6)GcHuf=5.2.15.2.1平均平均风剖面风剖面（续）（续）™™对数律对数律（续）（续）结构抗风试验结构抗风试验五：大气边界层风特性及其风洞模拟技术五：大气边界层风特性及其风洞模拟技术5.25.2大气边界层风特性大气边界层风特性类别类别地貌状况地貌状况粗糙高粗糙高度度zz00(m)(m)梯度风高梯度风高度度HHGG(m)(m)0.010.013003003503504004004504500.050.050.30.31.01.0粗糙度粗糙度指数指数ααAA近海海面和小海岛、开阔水面、海岸、湖近海海面和小海岛、开阔水面、海岸、湖岸、沙漠地区岸、沙漠地区0.120.12BB田野、乡村、平坦开阔地、丛林、房屋比田野、乡村、平坦开阔地、丛林、房屋比