[發明專利]一種分區計算空間相關性的脈動風速時程輸入方法

有效

• 申請號: 201710494942.3
• 申請日: 2017-06-26
• 公開（公告）號: CN107300853B
• 公開（公告）日: 2020-02-14
• 發明（設計）人: 蔣瓅;朱偉華;潘欣鈺;胡衛法;李慶武
• 申請（專利權）人: 中船第九設計研究院工程有限公司
• 主分類號: G05B13/04
• 分類號: G05B13/04
• 代理公司: 31215 上海藍迪專利商標事務所(普通合伙)
• 代理人: 徐筱梅

本發明公開了一種分區計算空間相關性的脈動風速時程輸入方法，該方法通過將數值風洞計算域中的入口邊界劃分為平均風速區A和帶脈動風速區D，并將D區劃分成多個分區Di(i=1,2,……)；對每個分區Di的網格中心點，運用線性濾波法的AR模型，采用Davenport譜和Shiotani相干函數，僅對各分區內的所有網格中心點兩兩考慮空間相關性，生成與各個網格中心點對應的脈動風速時程；對所有網格逐個按時間步輸入風速時程，平均風速區A輸入平均風速，帶脈動風速區Di輸入脈動風速時程與平均風速之和。本發明不僅能使輸入的風速時程能夠滿足規范建議的風速時程的相關性，而且能減少風速時程數據模擬的工作量和求解時間，從而提升整個結構表面風荷載模擬及風振響應分析的工作效率。

技術領域

本發明涉及非穩態數值風洞模擬技術領域，尤其是一種分區計算空間相關性的脈動風速時程輸入方法。

背景技術

建筑結構所受到的自然風主要包含長周期和短周期兩種成分。在進行建筑結構風振響應分析計算時，需要考慮短周期成分對結構的脈動作用。短周期的脈動風一般被看作是平穩隨機過程，當采用非穩態數值風洞模擬技術分析結構所受的帶脈動成分的風荷載時程作用時，需要在數值風洞的入口邊界輸入帶脈動成分的風速時程，該風速時程通常可采用人工模擬方法計算得到。為了確保輸入的風速時程能滿足自然風的隨機性和統計特性，需要使模擬的風與自然風基本特性盡可能接近。其中，空間相關性是脈動風的基本特性之一，它是指當結構上一點風壓達到最大值時，在一定范圍內離該點越遠處的風荷載同時達到最大值的可能性越小。我國現行《建筑結構荷載規范》采用了Shiotani提出的相干函數來考慮空間相關性。考慮到數值風洞模擬中，建筑物最大迎風面積比流域橫截面積一般不大于3％，因而對整個入口邊界的風速輸入考慮脈動分量會導致一定的電算資源浪費；同時，對每兩個位置的風速時程考慮空間相關性也會大大增加風速時程模擬的工作量和求解時間，降低分析效率。

發明內容

本發明的目的在于提供一種分區計算空間相關性的脈動風速時程輸入方法，該方法不僅能使輸入的風速時程能夠滿足規范建議的風速時程的相關性，而且能減少風速時程數據模擬的工作量和求解時間，從而提升整個結構表面風荷載模擬及風振響應分析的工作效率。

實現本發明目的的具體技術方案是：

一種分區計算空間相關性的脈動風速時程輸入方法，該方法包括以下具體步驟：

步驟1：建立數值風洞計算域，并將數值風洞入口邊界劃分為平均風速區A和帶脈動風速區D兩部分，并根據帶脈動風速區D的大小進行劃分，形成D1,D2,……,Dn共n(n>1)個帶脈動風速區分區；

步驟2：對整個數值風洞計算域進行網格劃分，使入口邊界內形成多個網格，然后輸出平均風速區A和帶脈動風速分區Di(i＝1,2,……,n)的網格中心點坐標數組P_A[x,z]和P_Di[x,z]；

步驟3：根據每個帶脈動風速區分區Di的網格中心點坐標數組P_Di[x,z]，運用線性濾波法的AR模型，采用Davenport順風向脈動風速功率譜和Shiotani提出的相干函數，僅對帶脈動風速區分區Di內的所有的網格中心點兩兩考慮空間相關性，生成與各個網格中心點對應的脈動風速時程V_Di；

步驟3中，假設帶脈動風速區分區Di內的網格數為M，則所述AR模型生成的M個空間相關點脈動風速的時間序列函數定義為：

式中，p為AR模型階數；△t為時間步長；P_Di[x,z]為帶脈動風速區分區Di的網格中心點坐標數組，P_Di[x_jj,z_jj]為帶脈動風速區分區Di第jj個網格中心點坐標，jj＝1,2,……,M；ψ_k為AR模型的M×M階自回歸系數矩陣，可由下式得到：