[发明专利]一种分区计算空间相关性的脉动风速时程输入方法

说明书

本发明公开了一种分区计算空间相关性的脉动风速时程输入方法，该方法通过将数值风洞计算域中的入口边界划分为平均风速区A和带脉动风速区D，并将D区划分成多个分区Di(i=1,2,……)；对每个分区Di的网格中心点，运用线性滤波法的AR模型，采用Davenport谱和Shiotani相干函数，仅对各分区内的所有网格中心点两两考虑空间相关性，生成与各个网格中心点对应的脉动风速时程；对所有网格逐个按时间步输入风速时程，平均风速区A输入平均风速，带脉动风速区Di输入脉动风速时程与平均风速之和。本发明不仅能使输入的风速时程能够满足规范建议的风速时程的相关性，而且能减少风速时程数据模拟的工作量和求解时间，从而提升整个结构表面风荷载模拟及风振响应分析的工作效率。

技术领域

本发明涉及非稳态数值风洞模拟技术领域，尤其是一种分区计算空间相关性的脉动风速时程输入方法。

背景技术

建筑结构所受到的自然风主要包含长周期和短周期两种成分。在进行建筑结构风振响应分析计算时，需要考虑短周期成分对结构的脉动作用。短周期的脉动风一般被看作是平稳随机过程，当采用非稳态数值风洞模拟技术分析结构所受的带脉动成分的风荷载时程作用时，需要在数值风洞的入口边界输入带脉动成分的风速时程，该风速时程通常可采用人工模拟方法计算得到。为了确保输入的风速时程能满足自然风的随机性和统计特性，需要使模拟的风与自然风基本特性尽可能接近。其中，空间相关性是脉动风的基本特性之一，它是指当结构上一点风压达到最大值时，在一定范围内离该点越远处的风荷载同时达到最大值的可能性越小。我国现行《建筑结构荷载规范》采用了Shiotani提出的相干函数来考虑空间相关性。考虑到数值风洞模拟中，建筑物最大迎风面积比流域横截面积一般不大于3％，因而对整个入口边界的风速输入考虑脉动分量会导致一定的电算资源浪费；同时，对每两个位置的风速时程考虑空间相关性也会大大增加风速时程模拟的工作量和求解时间，降低分析效率。

发明内容

本发明的目的在于提供一种分区计算空间相关性的脉动风速时程输入方法，该方法不仅能使输入的风速时程能够满足规范建议的风速时程的相关性，而且能减少风速时程数据模拟的工作量和求解时间，从而提升整个结构表面风荷载模拟及风振响应分析的工作效率。

实现本发明目的的具体技术方案是：

一种分区计算空间相关性的脉动风速时程输入方法，该方法包括以下具体步骤：

步骤1：建立数值风洞计算域，并将数值风洞入口边界划分为平均风速区A和带脉动风速区D两部分，并根据带脉动风速区D的大小进行划分，形成D1,D2,……,Dn共n(n>1)个带脉动风速区分区；

步骤2：对整个数值风洞计算域进行网格划分，使入口边界内形成多个网格，然后输出平均风速区A和带脉动风速分区Di(i＝1,2,……,n)的网格中心点坐标数组P_A[x,z]和P_Di[x,z]；

步骤3：根据每个带脉动风速区分区Di的网格中心点坐标数组P_Di[x,z]，运用线性滤波法的AR模型，采用Davenport顺风向脉动风速功率谱和Shiotani提出的相干函数，仅对带脉动风速区分区Di内的所有的网格中心点两两考虑空间相关性，生成与各个网格中心点对应的脉动风速时程V_Di；

步骤3中，假设带脉动风速区分区Di内的网格数为M，则所述AR模型生成的M个空间相关点脉动风速的时间序列函数定义为：

式中，p为AR模型阶数；△t为时间步长；P_Di[x,z]为带脉动风速区分区Di的网格中心点坐标数组，P_Di[x_jj,z_jj]为带脉动风速区分区Di第jj个网格中心点坐标，jj＝1,2,……,M；ψ_k为AR模型的M×M阶自回归系数矩阵，可由下式得到：