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CWE 52
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