羅嘯宇， 聶銘， 鄒云峰， 劉小璐

(1.廣東電網(wǎng)有限責(zé)任公司電力科學(xué)研究院， 廣州 510080； 2.中南大學(xué)土木工程學(xué)院， 長(zhǎng)沙 410018)

復(fù)雜地形上的風(fēng)場(chǎng)特性與平原地區(qū)有較大的區(qū)別，氣流經(jīng)過復(fù)雜地形會(huì)產(chǎn)生流動(dòng)分離、繞流等，致使風(fēng)場(chǎng)特性發(fā)生較大的改變。然而地形復(fù)雜多變，不同類型地形對(duì)風(fēng)場(chǎng)特性的影響規(guī)律也有較大差別，因此常常將復(fù)雜地形劃分為小山、陡坡和山谷等類型進(jìn)行研究，以獲得較為普適的風(fēng)場(chǎng)特征。例如，對(duì)于小山而言，氣流在山體的迎風(fēng)坡位置會(huì)產(chǎn)生顯著的加速效應(yīng)，至山頂附近產(chǎn)生流動(dòng)分離，在山體的背風(fēng)坡形成尾流區(qū)，該區(qū)域內(nèi)風(fēng)速較低，湍流度較大[1-2]。

肖凱等[1]針對(duì)復(fù)雜地形下風(fēng)荷載的地形修正系數(shù)，提出了一種以無(wú)量綱風(fēng)速比為輸出的數(shù)值計(jì)算方法。羅嘯宇等[2]為了獲取復(fù)雜地形環(huán)境下高分辨率的風(fēng)場(chǎng)信息，采用數(shù)值模擬方法建立不同風(fēng)向下的風(fēng)速比，評(píng)估地形對(duì)風(fēng)場(chǎng)的影響。Liu等[3]針對(duì)典型地形環(huán)境下風(fēng)電場(chǎng)風(fēng)環(huán)境與風(fēng)機(jī)之間的耦合特性，采用大渦模擬(large eddy simulation，LES)模型對(duì)風(fēng)場(chǎng)進(jìn)行研究，揭示了不同風(fēng)機(jī)尺寸與地形耦合作用下的湍流特性。Ishihara等[4]對(duì)一座最大坡度為32°的三維小山進(jìn)行數(shù)值模擬研究，結(jié)果顯示山頂處產(chǎn)生的流動(dòng)分離后，會(huì)在背風(fēng)側(cè)的山腳處再附著，形成回流區(qū)，并且加速效應(yīng)不僅僅在山頂出現(xiàn)，在山坡中間也有加速效應(yīng)。這些針對(duì)復(fù)雜地形風(fēng)場(chǎng)特性的研究多采用數(shù)值模擬的方法，缺少試驗(yàn)或?qū)崪y(cè)數(shù)據(jù)的驗(yàn)證，對(duì)于邊界層風(fēng)場(chǎng)研究而言仍不能取代風(fēng)洞試驗(yàn)。

Bowen等[5]通過風(fēng)洞試驗(yàn)研究了氣流通過4種坡度的二維斜坡后的風(fēng)場(chǎng)特性，研究發(fā)現(xiàn)湍流特性只在靠近山體后方的區(qū)域發(fā)生顯著改變。Takahashi等[6]將溫度考慮到過山氣流的研究中，在風(fēng)洞試驗(yàn)中模擬了穩(wěn)定、中性及不穩(wěn)定3種大氣層結(jié)穩(wěn)定度的三維軸對(duì)稱山體的風(fēng)場(chǎng)特性，研究結(jié)果顯示山頂處的加速效應(yīng)不隨大氣層結(jié)穩(wěn)定度的變化而改變，但溫度梯度引起的對(duì)流效應(yīng)會(huì)使得最大風(fēng)速位置向后移動(dòng)，風(fēng)剖面和湍流強(qiáng)度受大氣層結(jié)穩(wěn)定度變化的影響較小。段靜等[7]采用風(fēng)洞試驗(yàn)研究氣流越過復(fù)雜山體后背風(fēng)面尾流的分布特征，分析了不同坡度下山體背風(fēng)面平均風(fēng)剖面以及脈動(dòng)風(fēng)速功率譜隨測(cè)點(diǎn)位置的變化規(guī)律,研究山體的山頂加速效應(yīng)和遮擋效應(yīng)影響以及背風(fēng)面渦旋發(fā)展情況。

針對(duì)山谷風(fēng)特性的研究，目前主要集中在橋梁領(lǐng)域。胡朋[8]和丁海平[9]分別根據(jù)橋址處的真實(shí)峽谷地形將其簡(jiǎn)化為三維的V形峽谷和U形峽谷，通過風(fēng)洞試驗(yàn)展開研究，研究表明簡(jiǎn)化峽谷模型的風(fēng)場(chǎng)可以分為受峽谷兩側(cè)山坡影響較為明顯的峽谷內(nèi)層和受峽谷兩側(cè)山坡影響不顯著的峽谷外層[10]，還通過風(fēng)洞試驗(yàn)結(jié)果與數(shù)值模擬結(jié)果的對(duì)比，驗(yàn)證了數(shù)值模擬結(jié)果的準(zhǔn)確性。Li等[11]將兩個(gè)半圓錐山體模型面對(duì)面布置構(gòu)成簡(jiǎn)易峽谷地形，研究?jī)煞N粗糙度表面對(duì)峽谷內(nèi)風(fēng)場(chǎng)特性的影響，結(jié)果表明山體表面粗糙度對(duì)峽谷內(nèi)風(fēng)場(chǎng)特性有明顯影響。沈國(guó)輝等[12]通過地貌模型風(fēng)洞試驗(yàn)研究復(fù)雜群山情況下某橋址的風(fēng)場(chǎng)特性，獲得了復(fù)雜群山環(huán)境下典型位置測(cè)點(diǎn)脈動(dòng)風(fēng)速功率譜的變化情況。楊立國(guó)等[13]對(duì)復(fù)雜山地地形的風(fēng)場(chǎng)進(jìn)行了風(fēng)洞試驗(yàn)和數(shù)值模擬研究，對(duì)滑雪場(chǎng)的風(fēng)場(chǎng)環(huán)境進(jìn)行了評(píng)估。

根據(jù)上述的回顧可以看出，目前針對(duì)實(shí)際地形的山谷風(fēng)特性研究還較少。然而山谷作為典型的復(fù)雜地形之一，常需要修建橋梁、輸電塔等大跨越構(gòu)筑物，為此研究山谷的風(fēng)場(chǎng)特性具有十分重要的工程意義?，F(xiàn)以廣東南澳島為工程背景，選取島上兩座主要山脈間的山谷進(jìn)行風(fēng)場(chǎng)特性的研究，重點(diǎn)分析山谷之間平均風(fēng)、湍流強(qiáng)度以及脈動(dòng)風(fēng)速功率譜特性，尤其是確定最合適的風(fēng)功率譜模型，為山谷風(fēng)荷載設(shè)計(jì)奠定基礎(chǔ)。

1 試驗(yàn)規(guī)劃與布置

1.1 工程概況

南澳島地貌屬低山剝蝕丘陵地貌，海岸多為巖石陡岸。地貌以高低丘陵為主，占據(jù)全島90%的面積，東西兩部為寬而突起的丘陵，東部最寬10.5 km，西部最寬5 km，東西長(zhǎng)21.5 km。中部為狹小的沖積平原，島的最狹長(zhǎng)處僅2.1 km，平地面積僅占總面積的6.4%。海拔500 m以上的山峰有3座，西部最高山峰為高嶂崠，海拔584.8 m，東部最高山峰為果老山，海拔573.3 m，白牛大尖山海拔524.3 m，其余的為低山丘陵。島嶼地勢(shì)從西往東逐漸降低，山勢(shì)較為陡峭，地形圖如圖1所示。

圖1 地形平面圖Fig.1 Topographic map

1.2 地形模型設(shè)計(jì)

試驗(yàn)的地形位于沿海部位，所以受臺(tái)風(fēng)影響較大，風(fēng)向主要是從東往西。考慮到風(fēng)向主要是大海向大陸方向(從東往西)，選擇右側(cè)大島為試驗(yàn)地形。右側(cè)大島東西與南北向長(zhǎng)度都在13 km內(nèi)，且區(qū)域外是海平面，若以大島中心截取直徑為13 km的地形區(qū)域，可以避免過渡段的影響。以大島中心截取直徑為13 km的地形區(qū)域，模型的縮尺比采用1/1 300。風(fēng)洞試驗(yàn)?zāi)Ｐ椭睆綖?0 m，地形模型底部以海平面(0 m)為基準(zhǔn)。

1.3 工況與測(cè)點(diǎn)布置

風(fēng)洞試驗(yàn)的主要內(nèi)容為研究南澳島的風(fēng)場(chǎng)特性，來(lái)流特性考慮均勻流和紊流兩種，入口均勻流設(shè)置為5 m/s。由于臺(tái)風(fēng)風(fēng)向是由東往西，故工況設(shè)置參考臺(tái)風(fēng)風(fēng)向以及臺(tái)風(fēng)風(fēng)場(chǎng)的紊流度。如圖2所示，以正東方向來(lái)流為0°風(fēng)向角，規(guī)定逆時(shí)針方向?yàn)檎较?，在均勻流?chǎng)下考慮了8個(gè)風(fēng)向。其中90°與180°來(lái)流與峽谷走向相近，0°、20°、40°、320°和340°于峽谷東側(cè)進(jìn)入，270°來(lái)流于峽谷西側(cè)進(jìn)入。沿著峽谷走向每隔一定距離布置一個(gè)測(cè)點(diǎn)，共6個(gè)測(cè)點(diǎn)(A～E)，A點(diǎn)位于最南側(cè)，E點(diǎn)位于最北側(cè)。

圖2 測(cè)點(diǎn)與風(fēng)向角布置示意圖Fig.2 Layout diagram of measuring points and wind direction angle

沿著兩山體中間地勢(shì)較低的山溝布置5個(gè)測(cè)點(diǎn)。試驗(yàn)時(shí)參考風(fēng)速點(diǎn)的位置為距離模型前沿約2 m處，以保證測(cè)試的風(fēng)速為來(lái)流實(shí)際風(fēng)速。高度方向上，在離地0～0.2 m內(nèi)，每隔0.04 m設(shè)置一個(gè)測(cè)點(diǎn)，代表實(shí)際高差50 m；離地0.2～0.7 m內(nèi)，每隔0.05 m設(shè)置一個(gè)測(cè)點(diǎn)，代表實(shí)際高差約65 m。

2 試驗(yàn)結(jié)果分析

2.1 平均風(fēng)剖面

圖3 不同風(fēng)向角下各測(cè)點(diǎn)的風(fēng)剖面Fig.3 Wind profile of each measuring point under different wind direction angles

在風(fēng)洞試驗(yàn)中，采用均勻流研究不同風(fēng)向條件下果老山脈東側(cè)峽谷內(nèi)的風(fēng)場(chǎng)特性，峽谷走向大致為東南-西北。不同風(fēng)向來(lái)流下個(gè)各測(cè)點(diǎn)的平均風(fēng)剖面如圖3所示。A、B測(cè)點(diǎn)處于較平坦地區(qū)，因此風(fēng)速的增長(zhǎng)趨勢(shì)也比較簡(jiǎn)單，隨高度增加風(fēng)速逐漸增加，沒有比較明顯的拐點(diǎn)。A測(cè)點(diǎn)與B測(cè)點(diǎn)位于峽谷南方入口，來(lái)流從40°、90°和340°到達(dá)A測(cè)點(diǎn)與B測(cè)點(diǎn)時(shí)，前方都有山體的阻擋，因此風(fēng)速比較低。當(dāng)來(lái)流從180°、270°以及320°進(jìn)入時(shí)，到達(dá)A與B測(cè)點(diǎn)前沒有較大山體的阻擋，能夠平穩(wěn)地到達(dá)測(cè)點(diǎn)，或者能經(jīng)過充分的發(fā)展，因此風(fēng)速比較大。C、D與E測(cè)點(diǎn)處于山溝中，風(fēng)速的變化并不是都遵循指數(shù)律，各種工況下的風(fēng)剖面形狀差異很大，甚至出現(xiàn)比較明顯的拐點(diǎn)。風(fēng)向?qū)︼L(fēng)速的影響很明顯，不同風(fēng)向角下風(fēng)速會(huì)有不同的變化，來(lái)流歷經(jīng)地形的差異導(dǎo)致了此種結(jié)果。D測(cè)點(diǎn)位于峽谷最中心的位置，可以看到在某些來(lái)流下，風(fēng)剖面呈豎直狀，說明局部地形的影響在這些風(fēng)向來(lái)流下比較小。

另外，從圖3中看到，當(dāng)高度小于200 m時(shí)，各個(gè)測(cè)點(diǎn)的風(fēng)剖面風(fēng)速隨高度增加而緩慢增加；大于200 m后，風(fēng)速隨高度增加而迅速增加，分析是局部地形對(duì)于此高度下的風(fēng)速影響最大，大于此高度后，風(fēng)向、來(lái)流對(duì)風(fēng)速的影響占據(jù)主導(dǎo)作用。

2.2 湍流強(qiáng)度

湍流強(qiáng)度可以反映風(fēng)脈動(dòng)成分的大小，是脈動(dòng)風(fēng)荷載分析中的關(guān)鍵參數(shù)。湍流強(qiáng)度是描述大氣紊流重要的參數(shù)，它反映了風(fēng)的脈動(dòng)程度。湍流強(qiáng)度的定義為速度波動(dòng)的均方根與平均速度的比值，主要與地表粗糙度和測(cè)點(diǎn)高度相關(guān)，粗糙度越大湍流強(qiáng)度越大，測(cè)點(diǎn)越高強(qiáng)度越小。經(jīng)試驗(yàn)結(jié)果計(jì)算不同風(fēng)向角下各測(cè)點(diǎn)的湍流強(qiáng)度剖面如圖4所示。由圖4可知，湍流強(qiáng)度的變化趨勢(shì)是大體一致的，即隨高度增加而減小，同時(shí)風(fēng)向?qū)τ谕牧鲝?qiáng)度的影響是比較大的。測(cè)點(diǎn)處于山溝峽谷內(nèi)，兩岸山體加劇了氣流擾動(dòng)，因此湍流強(qiáng)度都比較大。

圖4 不同風(fēng)向角下各測(cè)點(diǎn)的湍流強(qiáng)度剖面Fig.4 Turbulence intensity profiles under different wind directions

A測(cè)點(diǎn)與B測(cè)點(diǎn)在各個(gè)來(lái)流下剖面規(guī)律較為一致，40°來(lái)流下兩個(gè)測(cè)點(diǎn)的湍流強(qiáng)度都達(dá)到最大，主要原因是來(lái)流從該角度進(jìn)入地形時(shí)，首先到達(dá)峽谷東側(cè)山脈，幾乎走過整個(gè)山脈才到達(dá)處于背風(fēng)區(qū)的兩個(gè)測(cè)點(diǎn)，產(chǎn)生的尾流導(dǎo)致湍流強(qiáng)度較大。D與E測(cè)點(diǎn)位于峽谷內(nèi)，在一些風(fēng)向來(lái)流下湍流強(qiáng)度剖面存在拐點(diǎn)，說明局部地形影響了湍流強(qiáng)度的分布。90°與270°來(lái)流下3個(gè)測(cè)點(diǎn)的湍流強(qiáng)度較低，主要原因是峽谷走向與來(lái)流方向一致，氣流發(fā)展平穩(wěn)，風(fēng)速波動(dòng)比較小；180°來(lái)流下測(cè)點(diǎn)的湍流強(qiáng)度較大，此時(shí)是因?yàn)闅饬鱽?lái)自果老山脈西側(cè)，測(cè)點(diǎn)位于背風(fēng)側(cè)，同時(shí)處于尾流區(qū)域，當(dāng)氣流到達(dá)測(cè)點(diǎn)后又迅速上升，波動(dòng)比較強(qiáng)烈。

2.3 脈動(dòng)風(fēng)速功率譜

脈動(dòng)風(fēng)速功率譜是用來(lái)描述紊流運(yùn)動(dòng)能量隨渦旋的頻率或波長(zhǎng)的分布情況的參數(shù)。目前中國(guó)規(guī)范中建議的功率譜表達(dá)式是采用Kaimal于1972年提出的表達(dá)式，高度Z處平均風(fēng)速U(Z)的順風(fēng)向脈動(dòng)風(fēng)功率譜表達(dá)式如式(1)所示，Von-Karman譜表達(dá)式如式(2)所示。

(1)

式(1)中：Su(n)為順風(fēng)向脈動(dòng)風(fēng)功率譜密度函數(shù)；n為風(fēng)的脈動(dòng)頻率；f=nZ/U(Z)為相似律坐標(biāo)，也稱莫寧坐標(biāo)；u*為氣流摩阻速度。

(2)

紊流從物理結(jié)構(gòu)上講可看成是由各種不同尺度的渦旋疊合而成的流動(dòng)，其中大渦旋主要是由流動(dòng)的邊界條件所決定，是引起低頻脈動(dòng)的原因，而小渦旋主要是由粘性力所決定，是引起高頻脈動(dòng)的原因。各測(cè)點(diǎn)在0°與40°均勻來(lái)流下離地104 m高度處(風(fēng)力發(fā)電機(jī)的輪縠高度)的脈動(dòng)風(fēng)速功率譜如圖5所示。

圖5 0°與40°來(lái)流下的脈動(dòng)風(fēng)速功率譜Fig.5 Power spectrum of fluctuating wind speed under 0° and 40° incoming flow

可以看到，沿峽谷各個(gè)測(cè)點(diǎn)的脈動(dòng)風(fēng)速譜在0°和40°來(lái)流條件下有一定差異。0°來(lái)流下位于平坦地區(qū)的A、B測(cè)點(diǎn)該高度的功率譜與Kaimal譜和Von-Karman譜較為吻合，高頻區(qū)域比經(jīng)驗(yàn)譜值略高。分析認(rèn)為是由于所選取高度的脈動(dòng)風(fēng)速功率譜與地形表面較為接近，經(jīng)過地形表面的渦難免會(huì)受到地形的影響碎裂成小渦，使得功率譜值在高頻區(qū)域明顯增加；在40°來(lái)流條件下，A、B測(cè)點(diǎn)該高度的脈動(dòng)風(fēng)速譜較經(jīng)驗(yàn)譜低頻部分較低，而高頻部分較高，分析認(rèn)為是該來(lái)流下氣流需要經(jīng)過一整個(gè)山脈，其中存在的大渦碎裂成小渦，導(dǎo)致中低頻的譜值較低而高頻增大。處于峽谷內(nèi)的C、D點(diǎn)與E點(diǎn)在0°與40°來(lái)流下功率譜與Kaimal譜吻合地不好，與Von-Karman譜在高頻上有差異，主要原因是這幾個(gè)測(cè)點(diǎn)處于山谷深處，局部地形更復(fù)雜，使得風(fēng)譜能量衰減更快，不符合慣性子區(qū)譜的條件。5個(gè)測(cè)點(diǎn)的脈動(dòng)風(fēng)速功率譜與Von-Karman譜更加吻合，因此南澳島地形的風(fēng)場(chǎng)建議使用Von-Karman譜描述。

3 結(jié)論

以南澳島果老山脈右側(cè)山谷的測(cè)點(diǎn)為研究對(duì)象，分析地形對(duì)沿山谷各點(diǎn)風(fēng)特性的影響。得到的結(jié)論主要如下。

(1)山谷位于南澳島果老山脈右側(cè)，兩邊是南北走向的山體，沿山谷的風(fēng)特性受風(fēng)向影響較大。當(dāng)風(fēng)向沿著山谷走向進(jìn)入時(shí)，處于平坦地區(qū)的測(cè)點(diǎn)可以觀察到明顯的加速效應(yīng)，風(fēng)速較大，湍流度較小；位于山谷內(nèi)的測(cè)點(diǎn)風(fēng)速變化較大，湍流度大。當(dāng)風(fēng)向垂直于山谷走向進(jìn)入時(shí)，處于平坦地區(qū)的測(cè)點(diǎn)風(fēng)速比較穩(wěn)定，湍流度較低，而其他測(cè)點(diǎn)風(fēng)特性變化比較劇烈。來(lái)流特性對(duì)于山谷內(nèi)測(cè)點(diǎn)的風(fēng)剖面形狀影響較小，對(duì)平均風(fēng)速的影響更大。

(2)脈動(dòng)風(fēng)速功率譜在島嶼主導(dǎo)的0°和40°風(fēng)向中，在0°時(shí)與Von-Karman譜更為接近，但高頻能量更高，在40°來(lái)流時(shí)脈動(dòng)風(fēng)速功率譜同樣和Von-Karman譜更為接近。均勻流和湍流兩種來(lái)流條件下，各個(gè)測(cè)點(diǎn)的脈動(dòng)風(fēng)速功率譜差異較小，均勻流由于旋渦尺度較小因而在高頻區(qū)域的能量更高。

(3)南澳島位于臺(tái)灣海峽喇叭口的西南端，風(fēng)資源十分豐富，因此風(fēng)場(chǎng)規(guī)律也比較復(fù)雜。在進(jìn)行相關(guān)基礎(chǔ)建設(shè)抗風(fēng)設(shè)計(jì)時(shí)需要綜合考慮風(fēng)向與地形對(duì)風(fēng)特性的影響。地形風(fēng)洞試驗(yàn)具有可以準(zhǔn)確控制試驗(yàn)條件、結(jié)果直觀可靠、不易受外界影響等優(yōu)點(diǎn)，可以作為復(fù)雜地形風(fēng)場(chǎng)研究的常用方法。