下擊暴流的形成與擴散及其對輸電線塔的災害作用（簡體書）

下擊暴流風荷載及其對輸電線塔結構的災害作用是目前國際風工程領域的研究熱點和前沿課題。作者瞿偉廉、吉柏鋒在國家自然科學基金委員會“十一五”有關重點科研項目的支撐下對自己近年來在下擊暴流強風和輸電線塔結構體系抗風研究方向所取得的成果進行了全面的總結。《下擊暴流的形成與擴散及其對輸電線塔的災害作用》中介紹了當前國內外關於下擊暴流的研究進展，深入探討了理想下擊暴流的數值模擬方法，理想下擊暴流的下沉和擴散過程及理想下擊暴流的風剖面特徵，創建了實際下擊暴流的混合數值模擬方法，提出了下擊暴流作用下輸電線塔倒塌全過程的分析方法和倒塌的破壞特徵。
《下擊暴流的形成與擴散及其對輸電線塔的災害作用》可供廣大從事風工程研究的學者和從事風振相關研究、設計、控制的結構工程師參考。

《下擊暴流的形成與擴散及其對輸電線塔的災害作用》可供廣大從事風工程研究的學者和從事風振相關研究、設計、控制的結構工程師參考。

前言
第1章緒論
1．1雷暴強風
1．2下擊暴流的發現、定義和分類
1．3下擊暴流的基本特徵
1．3．1尺度特徵
1．3．2速度特徵
1．3．3隨機特徵
1．3．4風壓特徵
1．4下擊暴流的研究現狀
1．4．1下擊暴流現場實測
1．4．2下擊暴流解析模型
1．4．3下擊暴流物理模擬
1．4．4下擊暴流數值模擬
1．4．5下擊暴流風荷載模擬
1．4．6下擊暴流風荷載規範
1．5輸電線塔結構的抗下擊暴流研究現狀
1．5．1下擊暴流的強災害性
1．5．2輸電線塔結構的抗下擊暴流研究
參考文獻

第2章理想下擊暴流的數值模擬方法
2．1CFD與CWE
2．2流體動力學控制方程
2．2．1質量守恆方程
2．2．2動量守恆方程
2．2．3能量守恆方程
2．2．4控制方程的通用形式
2．3湍流運動的數值模擬
2．3．1湍流的基本方程
2．3．2湍流的數值模擬方法
2．3．3湍流模型
2．3．4近壁區的湍流模擬
2．3．5數值求解方法
2．3．6數值計算流程
2．4下擊暴流的數值模型
2．4．1風場模型
2．4．2邊界條件
2．4．3湍流模型與網格
參考文獻

第3章理想下擊暴流的形成、下沉與擴散過程
3．1計算模型與計算參數
3．1．1風場模型
3．1．2邊界條件
3．1．3湍流模型與網格
3．2形成、下沉與擴散過程
3．2．1下擊暴流形成、下沉與擴散過程的速度雲圖
3．2．2下擊暴流形成、下沉與擴散過程的湍動能雲圖
3．3衝擊地面前後的風場特徵
3．3．1下擊暴流衝擊地面前後的風速雲圖和矢量場
3．3．2下擊暴流衝擊地面前後的瞬時風速分佈
3．4下擊暴流的瞬態風速特徵
3．4．1水平風速的瞬態分佈
3．4．2豎向風速的瞬態分佈

第4章理想下擊暴流的風剖面特徵
4．1穩態風剖面
4．1．1水平風速的穩態分佈
4．1．2豎向風速的穩態分佈
4．2下擊暴流與大氣邊界層風的風剖面特徵比較
4．2．1相關參數
4．2．2豎直風剖面
4．2．3徑向風剖面
4．3初始出流條件對風剖面的影響
4．3．1初始出流直徑的影響
4．3．2初始出流高度的影響
4．3．3初始出流速度的影響
4．3．4初始出流傾角的影響
4．3．5初始初流條件研究小結
參考文獻

第5章實際下擊暴流形成的氣象模式數值模擬
5．1對流單體結構及對流雲特徵
5．1．1對流單體結構
5．1．2對流雲特徵
5．2下擊暴流的中尺度天氣背景
5．2．1多單體雷暴
5．2．2超級單體雷暴
5．2．3颮線
5．2．4中尺度對流複合體
5．3基於中尺度ARPS模式的實際下擊暴流模擬
5．3．1中尺度ARPS數值模式
5．3．2實例模擬
5．4基於三維積雲模式的實際下擊暴流模擬
5．4．1三維完全彈性冰雹雲數值模式
5．4．2實例模擬
5．5基於中-雲尺度氣象模式嵌套模擬實際下擊暴流
參考文獻

第6章實際下擊暴流風場的多尺度混合數值模擬
6．1混合數值模擬方案
6．2武漢"7．27"下擊暴流風場的混合數值模擬
6．2．1高分辨率積雲模式模擬及結果分析
6．2．2混合數值模擬及結果分析
6．3武漢"6．22"下擊暴流風場的混合數值模擬
6．3．1高分辨率積雲模式模擬及結果分析
6．3．2混合數值模擬及結果分析
6．4廣州"7．21"下擊暴流風場的混合數值模擬
6．4．1高分辨率積雲模式模擬及結果分析
6．4．2混合數值模擬及結果分析
6．5下擊暴流的多尺度混合數值模擬與理想數值模擬比較
6．5．1模擬方法
6．5．2近地風場特徵
6．5．3風剖面特徵
參考文獻

第7章下擊暴流風荷載模擬
7．1下擊暴流風荷載的基本表達
7．2下擊暴流的風荷載模型
7．3下擊暴流平均成分的數值模擬
7．3．1基於豎直風剖面和時間函數的時變平均風速模擬方法
7．3．2基於改進的OBV模型的時變平均風速模擬方法
7．4下擊暴流脈動成分的數值模擬
7．4．1脈動風速模型
7．4．2脈動風速模擬的諧波疊加法
7．5下擊暴流風荷載的模擬檢驗
7．5．1AAFB風速記錄
7．5．2數值參數
7．5．3模擬方法
7．5．4結果與分析
參考文獻

第8章下擊暴流作用下輸電線塔結構的倒塌響應全過程分析
8．1下擊暴流作用下輸電線塔結構的響應特徵
8．1．1兩種風力作用下輸電線塔結構的荷載效應
8．1．2輸電線塔結構截面的抗彎抗力
8．1．3兩種風力作用下輸電線塔結構截面抗風能力的比較
8．1．4下擊暴流作用下輸電線塔結構的響應特徵
8．2下擊暴流作用下輸電線塔有限元時程分析中的幾個問題
8．2．1輸電線塔結構有限元時程響應分析的多尺度問題
8．2．2整體尺度有限元分析時結構節點的大位移問題
8．2．3整體尺度有限元分析的壓杆失穩問題
8．2．4結構節點尺度的精細有限元分析及兩種尺度的位移和力學邊界協調條件問題
8．3下擊暴流作用下輸電線塔考慮節點大位移求解的共轉法
8．3．1基本思路
8．3．2採用共轉法求解三維梁單元內力
8．3．3整體切線剛度矩陣
8．3．4增量有限元求解
8．4塔身主杆彈塑性失穩的有限元模型
8．4．1主杆失穩的"彎矩-軸力-軸向剛度"關係
8．4．2主杆失穩的有限元模型
8．5塔身主杆法蘭螺栓聯結拼裝節點的等效梁單元
8．5．1法蘭螺栓聯結節點等效梁單元參數的求取方法
8．5．2法蘭螺栓聯結節點（包括有螺栓脫落）的精細有限元模型
8．5．3法蘭螺栓聯結節點（包括有螺栓脫落）等效梁單元的參數
8．6結構節點的精細有限元模型及位移和力學邊界協調條件
8．6．1結構節點區的精細實體有限元模型
8．6．2位移與力學的邊界相容條件
8．6．3結構節點區動應力場和焊縫裂紋萌生累積疲勞損傷的計算實例
8．7下擊暴流作用下輸電線塔的倒塌響應分析
8．7．1輸電線塔倒塌破壞的關鍵部位
8．7．2輸電線塔塔身關鍵部位杆件失穩的順序及其對倒塌的影響
8．7．3塔身主杆法蘭拼裝節點螺栓脫落損傷對倒塌的影響
8．7．4結構節點焊縫裂紋萌生累積疲勞損傷對倒塌的影響
參考文獻
附錄單元坐標系的單位矢向量推導

下擊暴流實測難給下擊暴流的研究帶來了很大的困難，很多研究者借助于實驗室物理模擬，即通過設計各種產生沖擊射流的物理裝置來模擬下擊暴流沖擊地面后形成的近地面輻散風場。但物理模擬產生的沖擊射流類型簡單，對模擬這種隨機性和多樣性極強的下擊暴流適應性較差。數值模擬方法是目前研究下擊暴流的有效方法，氣象界和風工程界針對各自不同的研究目標采用不同的數值模式。氣象領域主要采用氣象云模式，側重于研究下擊暴流的形成條件、動力機制、微物理過程等，能真實再現整個對流云的發生發展演變過程。但積云模式包含詳細的微物理過程求解，網格精度受計算機發展水平的制約，而且網格分辨率增加到一定程度后進一步提高云模式的分辨率，模擬效果不一定更好，這與模式的分辨率和參數化過程是否匹配有關系。因此，積云模式終究解決的是云尺度的天氣問題，無法獲得下擊暴流近地風場的細部特征。
風工程界最關心的是下擊暴流撞擊地面后產生的近地面輻散大風的風場特征及對結構的荷載效應等，主要采用CFD數值模式模擬高精度的理想下擊暴流近地風場。但由于不可能通過實測獲得CFD模擬所需的初始下沉氣流入口條件，目前大多根據下擊暴流統計特征來假定初始出流參數。事實上，自然界中實際發生的下擊暴流隨機性很強，下沉氣流的橫截面形狀、大小以及下沉速度的分布等各不相同，基于假定的均勻圓形速度入口條件模擬得到的下擊暴流近地風場并不能真實反映實際下擊暴流近地風場的分布特征。鑒于氣象和風工程兩個領域數值模擬方法各自的優勢和局限性，本章采用將氣象模式和CFD模式相結合的多尺度混合數值模擬方法，基于常規的天氣探測資料，采用氣象模式模擬獲得的網格較粗的實際下擊暴流的空間流場數據，作為CFD模式模擬高網格精度的實際下擊暴流近地風場的初始條件，從而完成下擊暴流形成擴散全過程數值模擬，并據此研究實際下擊暴流風場特征。
6.1混合數值模擬方案
通常，積云模式的初始水平網格長度較大，相對于CFD模式的水平網格長度而言其數據密度很小。為了滿足CFD模式對數據密度的要求，需先開展采用提高網格分辨率的積云模式模擬實際下擊暴流的研究。以往積云模式主要用于氣象理論及其應用的研究中，對近地細部風場關注較少。