[发明专利]用于线状细长结构顺流向三维风荷载评估的阻力气动导纳识别方法及系统

权利要求书

1.用于线状细长结构顺流向三维风荷载评估的阻力气动导纳识别方法，其特征在于：包括以下步骤：

步骤1，基于三维谱张量分析理论建立两波数抖振阻力谱数理模型、一波数抖振阻力谱数理模型，构建三维阻力导纳闭合解理论识别框架；

步骤2，根据格栅紊流场中各向同性紊流谱模型得到一波数紊流功率谱密度、两波数紊流功率谱以及纵向紊流相干函数；

步骤3，通过节段模型测压法得到线状细长钝体断面顺流向任意片条上的抖振阻力点谱，并利用试验结果拟合阻力经验相干函数模型中的待拟合参数；

步骤4，基于两波数抖振阻力谱数理模型和步骤1中的三维气动导纳闭合解识别框架，结合步骤2和步骤3得到的紊流功率谱特性和抖振阻力经验相干函数模型拟合结果，得出广义一波数阻力气动导纳、广义一波数阻力气动导纳展向修正项和二维阻力气动导纳的数值解；

步骤5，构建二维阻力气动导纳经验模型，并根据步骤4拟合二维阻力气动导纳经验模型中的待拟合参数，利用步骤1中三维阻力导纳闭合解理论识别框架，进而识别三维阻力气动导纳，所述气动导纳可用于评估大跨桥梁和高耸细长建筑结构的顺流向三维风荷载；

所述步骤1具体包括以下步骤：

步骤1a，基于三维谱张量分析理论，构建阻力气动导纳的数理模型，其中，一波数和两波数非定常阻力功率谱如下所示：

式中，

波数k_i＝n_i/U；

n_i是频率；

i＝1,2分别表示顺流向和展向；

ρ表示空气密度；U表示平均风速；

B表示线状细长结构的宽度；C_D表示阻力系数；

|χ_Du(k₁)|²为广义一波数阻力气动导纳；

|χ_Du(k₁,k₂)|²为两波数阻力气动导纳；

S_u(k₁)，S_u(k₁,k₂)分别为一波数和两波数纵向紊流功率谱；

步骤1b，抖振阻力互谱采用同步测压法得到，线状细长结构截面的两波数阻力功率谱由试验测得的抖振阻力互功率谱S_D(k₁,Δy)作Fourier变换求得：

式中，

S_D(k₁,Δy)为抖振阻力互功率谱；

Δy是线状细长结构两个展向片条之间的间距；

其中，两波数非定常阻力功率谱S_D(k₁,k₂)可表示为一波数非定常阻力功率谱与两波数阻力相干函数Φ_D(k₁,k₂)的乘积：

S_D(k₁,k₂)＝Φ_D(k₁,k₂)S_D(k₁)

同理，两波数纵向紊流功率谱S_u(k₁,k₂)可表示为一波数纵向紊流功率谱与两波数纵向紊流相干函数Φ_u(k₁,k₂)的乘积：

S_u(k₁,k₂)＝Φ_u(k₁,k₂)S_u(k₁)；

步骤1c，将上述步骤1b代入步骤1a中，可得广义一波数、两波数阻力气动导纳以及纵向紊流和抖振阻力相干函数之间的内在物理关系，如下式表示：

|χ_Du(k₁)|²Φ_D(k₁,k₂)＝|χ_Du(k₁,k₂)|²Φ_u(k₁,k₂)；

其中，

|χ_Du(k₁)|²和|χ_Du(k₁,k₂)|²的定义如前；

Φ_D(k₁,k₂)和Φ_u(k₁,k₂)分别表示两波数阻力和纵向紊流相干函数；

步骤1d，将广义一波数阻力气动导纳和两波数阻力气动导纳分别表示为与流场无关的二维阻力气动导纳及其展向修正项乘积的形式，结果如下式所示：

|χ_Du(k₁)|²＝|χ_Du(k₁,0)|²·|F_Du(k₁)|²

|χ_Du(k₁,k₂)|²＝|χ_Du(k₁,0)|²·|F_Du(k₁,k₂)|²

式中，

|χ_Du(k₁,0)|²表示二维阻力气动导纳；

|F_Du(k₁)|²为广义一波数阻力气动导纳展向修正项；

|F_Du(k₁,k₂)|²为两波数阻力气动导纳展向修正项；

步骤1e，将步骤1d中的关系式代入步骤1c中，得到广义一波数阻力气动导纳展向修正项的闭合表达式：

其中，Φ_u(k₁,0)和Φ_D(k₁,0)分别表示k₂＝0时的两波数纵向紊流和阻力相干函数；

步骤1f，通过上述步骤得到广义一波数阻力气动导纳和二维阻力气动导纳的理论表达式如下式所示：

所述步骤2具体包括以下步骤：

利用风场数据用一波数紊流功率谱拟合出纵向紊流积分尺度L_u，并求出一波数和两波数纵向紊流功率谱，以及两波数纵向紊流相干函数如下：

其中，L_u表示纵向紊流积分尺度；σ_u表示纵向脉动分量的均方根值；Γ表示为Gamma函数；A_u表示纵向紊流相干函数中的约化波数；两波数纵向紊流功率谱S_u(k₁,k₂)可以表示为一波数纵向紊流功率谱S_u(k₁)与两波数纵向紊流相干函数Φ_u(k₁,k₂)的乘积；

所述步骤3具体包括以下步骤：

利用试验结果拟合基于Kimura相干函数模型中阻力方向上的三个待拟合参数，其中，Kimura抖振阻力相干函数模型定义如下：

η＝A_DΔy

式中，K_5/6，K_1/6表示为第二类变型贝塞尔函数；

α₁，β₁，γ₁表示为Kimura相干函数模型中的三个待拟合参数；

A_D表示阻力相干函数中的约化波数；

所述阻力经验相干函数模型为两波数阻力相干函数模型，所述两波数阻力相干函数模型采用以下公式表示：

其中，Φ_D(k₁,0)表示k₂＝0时的两波数阻力相干函数；

所述广义一波数阻力气动导纳展向修正项的闭合表达式如下所示；

其中，|F_Du(k₁)|²表示广义一波数阻力气动导纳的展向修正项；

所述二维阻力气动导纳经验模型如下式表示：

|χ_Du(k₁)|²＝|χ_Du(k₁,0)|²·|F_Du(k₁)|²

式中，

q，p，r分别表示为二维阻力气动导纳经验模型中的三个待拟合参数。

2.用于线状细长结构顺流向三维风荷载评估的阻力气动导纳识别系统，包括存储器、处理器及存储在存储器上并可在处理器上运行的计算机程序，其特征在于，所述处理器执行所述程序时实现以下步骤：

步骤1，基于三维谱张量分析理论建立两波数抖振阻力谱数理模型、一波数抖振阻力谱数理模型，构建三维阻力导纳闭合解理论识别框架；

步骤2，根据格栅紊流场中各向同性紊流谱模型得到一波数纵向紊流功率谱密度、两波数纵向紊流功率谱以及纵向紊流相干函数；

步骤3，通过节段模型测压法得到线状细长钝体断面顺流向任意片条上的抖振阻力点谱，并利用试验结果拟合阻力经验相干函数模型中的待拟合参数；

步骤4，基于两波数抖振阻力谱数理模型和步骤1中的三维气动导纳闭合解识别框架，结合步骤2和步骤3得到的紊流功率谱特性和抖振阻力经验相干函数模型拟合结果，得出广义一波数阻力气动导纳、广义一波数阻力气动导纳展向修正项和二维阻力气动导纳的数值解；

步骤5，构建二维阻力气动导纳经验模型，并根据步骤4拟合二维阻力气动导纳经验模型中的待拟合参数，利用步骤1中三维阻力导纳闭合解理论识别框架，进而识别三维阻力气动导纳，所述气动导纳可用于评估大跨桥梁和高耸细长建筑结构的顺流向三维风荷载；

所述步骤1具体包括以下步骤：

步骤1a，基于三维谱张量分析理论，构建阻力气动导纳的数理模型，其中，一波数和两波数非定常阻力功率谱如下所示：

式中，

波数k_i＝n_i/U，

n_i是频率；

i＝1,2分别表示顺风向和展向；

ρ表示空气密度；U表示平均风速；

B表示线状细长结构的宽度；C_D表示阻力系数；

|χ_Du(k₁)|²为广义一波数阻力气动导纳；

|χ_Du(k₁,k₂)|²为两波数阻力气动导纳；

S_u(k₁)，S_u(k₁,k₂)分别为一波数和两波数纵向紊流功率谱；

步骤1b，抖振阻力互谱采用同步测压法得到，线状细长结构截面的两波数阻力功率谱由试验测得的抖振阻力互功率谱S_D(k₁,Δy)作Fourier变换求得：

式中，

S_D(k₁,Δy)为抖振阻力互功率谱；

Δy是线状细长结构两个展向片条之间的间距；

其中，两波数非定常阻力功率谱S_D(k₁,k₂)可表示为一波数非定常阻力功率谱与两波数阻力相干函数Φ_D(k₁,k₂)的乘积：

S_D(k₁,k₂)＝Φ_D(k₁,k₂)S_D(k₁)

同理，两波数纵向紊流功率谱S_u(k₁,k₂)可表示为一波数纵向紊流功率谱与两波数纵向紊流相干函数Φ_u(k₁,k₂)的乘积：

S_u(k₁,k₂)＝Φ_u(k₁,k₂)S_u(k₁)；

步骤1c，将上述步骤1b代入步骤1a中，可得一波数、两波数阻力气动导纳以及纵向紊流和抖振阻力相干函数之间的内在物理关系如下表示：

|χ_Du(k₁)|²Φ_D(k₁,k₂)＝|χ_Du(k₁,k₂)|²Φ_u(k₁,k₂)；

其中，

|χ_Du(k₁)|²和|χ_Du(k₁,k₂)|²的定义如前；

Φ_D(k₁,k₂)和Φ_u(k₁,k₂)分别表示两波数阻力和纵向紊流相干函数；

步骤1d，将广义一波数阻力气动导纳和两波数阻力气动导纳分别表示为与流场无关的二维气动导纳及其展向修正项乘积的形式，结果如下所示：

|χ_Du(k₁)|²＝|χ_Du(k₁,0)|²·|F_Du(k₁)|²

|χ_Du(k₁,k₂)|²＝|χ_Du(k₁,0)|²·|F_Du(k₁,k₂)|²

式中，

|χ_Du(k₁,0)|²表示二维阻力气动导纳；

|F_Du(k₁)|²为广义一波数阻力气动导纳展向修正项；

|F_Du(k₁,k₂)|²为两波数阻力气动导纳展向修正项；

步骤1e，将步骤1d中的关系式代入步骤1c中，得到广义一波数阻力气动导纳展向修正项的闭合表达式：

其中，Φ_u(k₁,0)和Φ_D(k₁,0)分布表示k₂＝0时的两波数纵向紊流和阻力相干函数；

步骤1f，通过上述步骤得到广义一波数阻力气动导纳和二维阻力气动导纳的理论表达式如下式所示：

所述步骤2具体包括以下步骤：

利用风场数据用一波数纵向紊流功率谱拟合出纵向紊流积分尺度L_u，并求出一波数和两波数纵向紊流功率谱，以及两波数纵向紊流相干函数如下：

其中，L_u表示纵向紊流积分尺度；σ_u表示纵向脉动分量的均方根值；Γ表示为Gamma函数；A_u表示纵向紊流相干函数的约化波数；两波数纵向紊流功率谱S_u(k₁,k₂)可以表示为一波数纵向紊流功率谱S_u(k₁)与两波数纵向紊流相干函数Φ_u(k₁,k₂)的乘积；

所述步骤3具体包括以下步骤：

利用试验结果拟合基于Kimura抖振力相干函数模型中阻力方向上的三个待拟合参数，其中，Kimura抖振阻力相干函数模型定义如下：

η＝A_DΔy

式中，K_5/6，K_1/6表示为第二类变型贝塞尔函数；

α₁，β₁，γ₁表示为Kimura相干函数模型中的三个待拟合参数；

A_D表示阻力相干函数中的约化波数；

所述阻力经验相干函数模型为两波数阻力相干函数模型，所述两波数阻力相干函数模型采用以下公式表示：

其中，Φ_D(k₁,0)表示k₂＝0时的两波数阻力相干函数；

所述广义一波数阻力气动导纳展向修正项的闭合表达式，如下所示；

其中，|F_Du(k₁)|²表示广义一波数阻力气动导纳展向修正项；

所述二维阻力气动导纳的经验模型如下式表示：

|χ_Du(k₁)|²＝|χ_Du(k₁,0)|²·|F_Du(k₁)|²

式中，

q，p，r分别表示为二维阻力气动导纳经验模型中的三个待拟合参数。