基于WRF与CFD耦合的台风致雷达罩荷载特性及易损性分析.pdfVIP

摘要

我国是传统海洋大国，近年来海洋强国战略也提上日程，海上建筑的重要

性也逐渐凸显。由于海洋环境下台风多发，远离中国大陆，海上地区设施受损

后难以修复，因此对这些区域建筑的安全性评估就显得尤为重要。海上地区设

施所受外荷载主要为台风荷载，因此模拟该区域台风风场，研究波浪对台风风

场的影响，进一步研究台风作用下设施表面风荷载特性，最终揭示失效机理，

获得易损性曲线，便是本文的目的。

本文基于中尺度气象模式WRF（WeatherResearchandForecastingModel）

结合3维同化变分技术，模拟多条经过目标区域的台风，还原了台风中心移动

路径和台风中心强度变化，并与中国气象局公布的台风中心经纬度和近台风中

心最大风速数据对比，结果表明除个别点之外，均能较好的重现台风路径与风

场。利用NCL（NCARCommandLanguage）程序定位d03区域，获得不同台风

不同时刻在模拟区域中心点的风速剖面，结果看出在300m以下风速与粗糙度



指数满足指数率关系，各自拟合为指数率表达式，可以看出指数明显小于4

U

类常态风指数，利用多个和最终获得模拟地区台风经验公式。

10

选用二阶Stokes波模拟海浪，利用速度边界造波法实现造波，通过FFT频

谱分析验证造波程序准确性，并进行湍流模型和网格尺寸无关性研究；利用上

节WRF模拟得到台风经验公式，基于FLUENT中VOF（VolumeofFluid）模

型建立3维风浪+地形模型，通过UDF实现造波和风速施加，利用Realisablek-

模型模拟登陆地形风场，与输入风场相比，经过波浪作用，在近水面风场远小

于入口风速，不再满足指数率关系，随着高度增加，风速缓慢增加，最终风速

在离地18.8m的位置会超过入口风速，风剖面趋势也将逐渐和入口风速一致。

为获得建筑最不利风荷载，对各个方向角风剖面取包络图，拟合最不利风剖面

在50m高度多数范围内稍大于A类风剖面。

调研实际雷达罩，建立实尺模型，利用LES方法精细化模拟罩体周围流场，

研究罩体表面风荷载分布特性。结果发现，罩体迎风面大部分呈现正压力，呈

对称分布；侧面为负压力，且最大负压位于罩体顶部及侧面，最大负压大于最

大正压；由于旋涡脱落和回流，侧风面和背风面风压分布复杂；提取罩体表面

风压系数，利用幂级数函数拟合出罩体表面风压经验公式，结合ANSYS-APDL

语言将风荷载导入有限元模型。

进行雷达罩破坏的萌生，扩展及最终失效的渐进失效过程研究，据此探究

罩体的损伤机理以及预测极限强度，由结论可以看出罩体会产生2类破坏，且

多数破坏单元都会发生二次损伤；同时以某一阶段破坏小单元数占最终破坏小

单元总数比例，定义3类破坏模式，考虑材料的随机性，基于拉丁超立方抽样，

对不同参数模型进行非线性重启动分析，通过克里金代理模型训练风速与破坏

模式关系，获得不同参数下罩体在不同风速下的响应，进一步求得其失效概率，

最终获得在台风风场中雷达罩易损性曲线。

关键词:WRF；风浪耦合；风荷载特性；易损性

Abstract

Chinaisatraditionalmaritimepower,andinrecentyears,thestrategyof

becomingamaritimepowerhasalsobeenputontheagenda,andtheimportanceof

maritimeconstructionhasgraduallybecomeprominent.Duetothefrequent

occurrenceoftyphoonsinthemarineenvironment,whichisfarawayfromChinese

Ma