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第1章 绪论1

1.1雷暴强风1

1.2下击暴流的发现、定义和分类6

1.3下击暴流的基本特征11

1.3.1尺度特征11

1.3.2速度特征12

1.3.3随机特征16

1.3.4风压特征16

1.4下击暴流的研究现状17

1.4.1下击暴流现场实测17

1.4.2下击暴流解析模型21

1.4.3下击暴流物理模拟22

1.4.4下击暴流数值模拟26

1.4.5下击暴流风荷载模拟34

1.4.6下击暴流风荷载规范35

1.5输电线塔结构的抗下击暴流研究现状36

1.5.1下击暴流的强灾害性36

1.5.2输电线塔结构的抗下击暴流研究40

参考文献41

第2章 理想下击暴流的数值模拟方法52

2.1 CFD与CWE52

2.2流体动力学控制方程53

2.2.1质量守恒方程53

2.2.2动量守恒方程53

2.2.3能量守恒方程55

2.2.4控制方程的通用形式55

2.3湍流运动的数值模拟55

2.3.1湍流的基本方程56

2.3.2湍流的数值模拟方法56

2.3.3湍流模型59

2.3.4近壁区的湍流模拟63

2.3.5数值求解方法66

2.3.6数值计算流程69

2.4下击暴流的数值模型71

2.4.1风场模型71

2.4.2边界条件72

2.4.3湍流模型与网格73

参考文献74

第3章 理想下击暴流的形成、下沉与扩散过程77

3.1计算模型与计算参数77

3.1.1风场模型77

3.1.2边界条件78

3.1.3湍流模型与网格78

3.2形成、下沉与扩散过程79

3.2.1下击暴流形成、下沉与扩散过程的速度云图79

3.2.2下击暴流形成、下沉与扩散过程的湍动能云图80

3.3冲击地面前后的风场特征81

3.3.1下击暴流冲击地面前后的风速云图和矢量场81

3.3.2下击暴流冲击地面前后的瞬时风速分布83

3.4下击暴流的瞬态风速特征84

3.4.1水平风速的瞬态分布84

3.4.2竖向风速的瞬态分布87

第4章 理想下击暴流的风剖面特征91

4.1稳态风剖面91

4.1.1水平风速的稳态分布91

4.1.2竖向风速的稳态分布93

4.2下击暴流与大气边界层风的风剖面特征比较97

4.2.1相关参数98

4.2.2竖直风剖面99

4.2.3径向风剖面100

4.3初始出流条件对风剖面的影响102

4.3.1初始出流直径的影响106

4.3.2初始出流高度的影响109

4.3.3初始出流速度的影响113

4.3.4初始出流倾角的影响116

4.3.5初始初流条件研究小结121

参考文献122

第5章 实际下击暴流形成的气象模式数值模拟124

5.1对流单体结构及对流云特征124

5.1.1对流单体结构124

5.1.2对流云特征125

5.2下击暴流的中尺度天气背景127

5.2.1多单体雷暴129

5.2.2超级单体雷暴130

5.2.3飑线132

5.2.4中尺度对流复合体132

5.3基于中尺度ARPS模式的实际下击暴流模拟133

5.3.1中尺度ARPS数值模式133

5.3.2实例模拟137

5.4基于三维积云模式的实际下击暴流模拟151

5.4.1三维完全弹性冰雹云数值模式151

5.4.2实例模拟172

5.5基于中-云尺度气象模式嵌套模拟实际下击暴流178

参考文献183

第6章 实际下击暴流风场的多尺度混合数值模拟186

6.1混合数值模拟方案186

6.2武汉“7.27”下击暴流风场的混合数值模拟188

6.2.1高分辨率积云模式模拟及结果分析188

6.2.2混合数值模拟及结果分析191

6.3武汉“6.22”下击暴流风场的混合数值模拟199

6.3.1高分辨率积云模式模拟及结果分析199

6.3.2混合数值模拟及结果分析203

6.4广州“7.21”下击暴流风场的混合数值模拟210

6.4.1高分辨率积云模式模拟及结果分析210

6.4.2混合数值模拟及结果分析213

6.5下击暴流的多尺度混合数值模拟与理想数值模拟比较222

6.5.1模拟方法222

6.5.2近地风场特征223

6.5.3风剖面特征224

参考文献226

第7章 下击暴流风荷载模拟228

7.1下击暴流风荷载的基本表达228

7.2下击暴流的风荷载模型229

7.3下击暴流平均成分的数值模拟230

7.3.1基于竖直风剖面和时间函数的时变平均风速模拟方法230

7.3.2基于改进的OBV模型的时变平均风速模拟方法233

7.4下击暴流脉动成分的数值模拟237

7.4.1脉动风速模型237

7.4.2脉动风速模拟的谐波叠加法238

7.5下击暴流风荷载的模拟检验239

7.5.1 AAFB风速记录239

7.5.2数值参数240

7.5.3模拟方法241

7.5.4结果与分析242

参考文献244

第8章 下击暴流作用下输电线塔结构的倒塌响应全过程分析246

8.1下击暴流作用下输电线塔结构的响应特征246

8.1.1两种风力作用下输电线塔结构的荷载效应247

8.1.2输电线塔结构截面的抗弯抗力251

8.1.3两种风力作用下输电线塔结构截面抗风能力的比较252

8.1.4下击暴流作用下输电线塔结构的响应特征257

8.2下击暴流作用下输电线塔有限元时程分析中的几个问题257

8.2.1输电线塔结构有限元时程响应分析的多尺度问题258

8.2.2整体尺度有限元分析时结构节点的大位移问题258

8.2.3整体尺度有限元分析的压杆失稳问题258

8.2.4结构节点尺度的精细有限元分析及两种尺度的位移和力学边界协调条件问题259

8.3下击暴流作用下输电线塔考虑节点大位移求解的共转法259

8.3.1基本思路259

8.3.2采用共转法求解三维梁单元内力260

8.3.3整体切线刚度矩阵263

8.3.4增量有限元求解264

8.4塔身主杆弹塑性失稳的有限元模型265

8.4.1主杆失稳的“弯矩-轴力-轴向刚度”关系265

8.4.2主杆失稳的有限元模型268

8.5塔身主杆法兰螺栓联结拼装节点的等效梁单元269

8.5.1法兰螺栓联结节点等效梁单元参数的求取方法270

8.5.2法兰螺栓联结节点（包括有螺栓脱落）的精细有限元模型271

8.5.3法兰螺栓联结节点（包括有螺栓脱落）等效梁单元的参数271

8.6结构节点的精细有限元模型及位移和力学边界协调条件273

8.6.1结构节点区的精细实体有限元模型273

8.6.2位移与力学的边界相容条件274

8.6.3结构节点区动应力场和焊缝裂纹萌生累积疲劳损伤的计算实例276

8.7下击暴流作用下输电线塔的倒塌响应分析285

8.7.1输电线塔倒塌破坏的关键部位286

8.7.2输电线塔塔身关键部位杆件失稳的顺序及其对倒塌的影响290

8.7.3塔身主杆法兰拼装节点螺栓脱落损伤对倒塌的影响291

8.7.4结构节点焊缝裂纹萌生累积疲劳损伤对倒塌的影响292

参考文献293

附录 单元坐标系的单位矢向量推导294