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流化床风荷载模拟在matlab中的实现

导演叫我趴下脸着地

2020/09/03
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近红外光谱（NIR）

流化床风荷载模拟在matlab中的实现

风是由空气流动形成的，结构处于风场中会受到顺风向力、横风向力及扭风力矩，对于流化床结构主要考虑顺风向风荷载及其作用效应，其风速时程曲线中主要包括长、短周期两种成分，因此可将顺风向风荷载分解为平均风（即稳定风）和脉动风（也称阵脉动风）两种成分。其中，由于风的长周期成分频率一般远小于结构的自振频率即频率比接近于零，所以结构的动力放大系数接近于一，这部分风荷载产生的结构动力效应很小，可以忽略，因此一般等效为静力作用，此部分风荷载的作用效果是使结构产生平均侧移；而脉动风是由湍流引起的，其变化具有随机性，且脉动风周期较短，其中会有一部分与结构的自振周期较为接近，此时结构的动力放大系数较大，产生了不可忽略的动力响应，脉动风部分将使得结构在平均侧移附近摇晃。

由上述分析可见风荷载的模拟重点为两个方面，即平均风成分和脉动风成分的模拟。本文根据实验室流化床的设计资料及结构特点，使用 Matlab编制程序，通过基于自回归（Auto－Regressive，AR）模型的线性滤波法模拟了结构所受的风荷载时程，并验证了模拟风荷载的可靠性。

与频域分析方法相比，时域分析方法更适用于流化床体系这种结构的分析（结构必然已经进入非线性阶段）。因此，在进行分析之前，首先要正确模拟结构所受到的风荷载时程。目前结构模拟风速时程的常用方法为谐波叠加法、线性滤波法，以及小波分析、逆傅立叶变换等，其中，最常用的方法即为谐波叠加法和线性滤波法。

与谐波叠加法相比，线性滤波法的突出特点是计算量少，效率高，在脉动风风速的模拟中得到了广泛的应用。针对这种情况，利用基于数字滤波技术AR 模型的线性滤波法来模拟其风荷载时程。如前文所述，风荷载可分为平均风成分和脉动风成分，因此接下来的风荷载模拟也主要分为这两个部分。

根据实测结果，目前平均风速沿高度的变化关系（又称为风剖面）常用指数函数和对数函数来描述。本文采用对数风剖面建立平均风场，选取 ESDU建立的修正对数风剖面，其表达式如下式所示：

式中， z 为任意一点的高度；z0 为地面粗糙长度； k 为 Karman 常数；u 是摩阻风速； p 是 Coriolis 参数，取 p =10 -4 s -1 。

视脉动风速时程为平稳高斯随机过程，本文顺风向风速谱按照紊流尺度随高度变化 Kaimal 风速功率谱进行模拟，其谱密度函数如下：

其中，  S 为输电塔的体形系数取值为 2.3； A 为结构沿风速方向的构件投影面积之和。

通过以上算法及公式成功的实现了使用matlab对流化床中风荷载进行模拟探究。

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