祝金偉　陳兵

【摘 要】龍卷風是一種劇烈的氣象運動，會對建筑結構造成巨大破壞，因此研究龍卷風近地面風場結構及龍卷風荷載是有重要意義的。目前研究以風洞試驗居多，常用龍卷風風洞分為Ward型龍卷風模擬器和ISU（愛荷華州立大學）型龍卷風模擬器兩種。隨著CFD（計算流體力學）的發(fā)展，探討一種可行的龍卷風風場的數(shù)值模擬日顯重要。本文采用LES（大渦模擬）方法，并與同濟大學龍卷風風洞試驗對比，建立了一種可行的龍卷風風場數(shù)值模擬方法。

【關鍵詞】龍卷風；風場結構；計算流體力學；數(shù)值模擬方法

Numerical Simulation of the Tornado-like Vortex

ZHU Jin-wei CHEN Bing

（Bridge Engineering，Tongji University，Shanghai 200092，China）

【Abstract】Tornado is among the most violent storms in nature，which can cause severe damages to buildings.Its of great significance to study near-surface tornado structure and tornado-induced wind loads.Mainly two kinds of tornado simulator，Ward-type and ISU（Iowa State University）-type， are adopted in research.However，with the progress in CFD area，exploring a numerical method becomes increasingly significant.In this study，large-eddy simulations were conducted to establish a numerical method to study the tornado vortex structure.

【Key words】Tornado；Vortex structure；CFD；Numerical method

0 前言

龍卷風是自然界中最強的氣象運動之一，伴有強烈的豎向、切向及徑向速度，近地面風速可達100m/s，且有較大氣壓降，因而完全不同于普通大氣邊界層風，會對建筑物造成嚴重破壞，造成人員傷亡及經濟損失[1]。美國發(fā)生龍卷風數(shù)量最多，而在中國的中東部地區(qū)，同樣有強龍卷風發(fā)生，圖1顯示的是發(fā)生于中國的龍卷風風災統(tǒng)計。

圖1 1980-1993年間部分災害性龍卷風分布[2]

統(tǒng)計發(fā)現(xiàn)，90%的龍卷風強度都不超過F2級，該強度對于常規(guī)結構而言可以抵抗住。對于F3及更強的龍卷風，常規(guī)結構在其服務期間內受龍卷風影響的概率很低，而對于重要結構（如核電站、醫(yī)院和學校等）則必須要考慮抗龍卷風設計。

綜上，龍卷風風場特性及龍卷風風載特性的研究對于重要結構的抗龍卷風設計是十分重要的。

1 龍卷風風場研究方法

目前，主要有三種方法研究龍卷風風場特性及龍卷風風載特性：現(xiàn)場實測、試驗研究和數(shù)值模擬。

1.1 現(xiàn)場實測

近幾年多普勒雷達的應用，使得捕捉龍卷風風場的數(shù)據(jù)成為可能，后續(xù)用于與數(shù)值結果對比的Spencer龍卷風數(shù)據(jù)就是由DOW可以的雷達觀察得到的。

雷達受地表起伏及建筑植物影響較大，近地面（20-50m以下）數(shù)據(jù)無法觀測到[1]。而龍卷風多發(fā)的平坦地區(qū)以低矮建筑為主，雷達觀測數(shù)據(jù)無法用作結構風致響應研究，因而目前的研究以試驗研究和數(shù)值模擬為主。

1.2 試驗研究

因龍卷風風場完全不同于常規(guī)邊界層風，所以需要建立龍卷風模擬器以研究龍卷風風場特性及風載特性。目前主要有兩種類型龍卷風模擬器，Ward型和ISU型模擬器。

兩者的主要區(qū)別是：Ward型模擬器導流板在底部，而ISU模擬器導流板在頂部。因此在ISU模擬器的優(yōu)點在于：一方面，用旋轉的下降流（rotating forced downdraft）來模擬真實龍卷風的RFD（rear flank downdraft）現(xiàn)象；另一方面，該模擬器可以在導軌上移動從而可以模擬移動中的龍卷風。同濟大學土木工程防災國家重點實驗室的龍卷風模擬器跟ISU模擬器相似，見圖3。

1.3 數(shù)值模擬

隨著CFD領域的發(fā)展，考慮其較好的經濟性及可重復性，越來越多的學者開始用數(shù)值模擬來研究龍卷風的相關特性，且已取得一定成果。但龍卷風風場的數(shù)值模擬發(fā)展還不成熟，不同學者采用的數(shù)值模型也不同，因而本文基于同濟大學龍卷風模擬器的尺寸，探討了一種數(shù)值模擬方法，為后續(xù)研究提供一定基礎。

2 數(shù)值模型及邊界條件設置

2.1 控制方程

本文選用OpenFOAM軟件進行計算，采用大渦模擬（LES）方法，亞格子模型選用標準Smagorinsky模型，控制方程如下：

=0

+=（？滋）--

其中，u為速度，p為壓強，？滋為空氣粘性系數(shù)，？子為亞格子應力。

2.2 計算域及邊界條件

本文選取圖4中綠色部分為計算域，即在數(shù)值模型中未考慮下降流影響。入流高度取300mm，其余尺寸與同濟大學龍卷風模擬器尺寸一致。

邊界條件設置為：outflow邊界壓力為定值邊界（p=0），速度為零梯度邊界；inflow邊界處壓力為零梯度邊界，速度為定值邊界，速度有切向及徑向速度兩部分，速度取值如下：

U=U（）

U=-Utan？茲

其中U為徑向速度；Ut為切向速度；U為一速度常數(shù)，這里大小取為1；h1為入流高度300mm，？茲為速度矢量與徑向的夾角，這里取60°；z為相應高度。

其余邊界為無滑移邊界（no-slip wall）。另外采用透水介質（porous media）來模擬真實模擬器中蜂窩狀結構的作用，見圖4標識部分。

2.3 渦流比的定義

渦流比是影響龍卷風渦結構的一個重要參數(shù)，對于不同的模擬器有不同的定義方法，本文采用原始定義。計算公式如下：

S=

其中Q為流量；a為aspect ratio，值為h1/r；？祝為環(huán)量，取值為2？仔RUdh。

顯示了速度場的瞬態(tài)結構，可以發(fā)現(xiàn)有明顯的渦結構特性，即切向速度由中心向外先變大再減小，且該算例渦流比較大，速度場顯示出多渦核特性；徑向速度有明顯的內流和外流區(qū)域。

3.2 數(shù)值結果與試驗及實測值對比

化，徑向距離用渦核半徑Rmax無量綱化。

通過圖6可發(fā)現(xiàn)，數(shù)值計算結果與實測及風洞試驗結果吻合較好，故認為本文所用數(shù)值模型可用來進行龍卷風風場特性研究。

進一步觀察發(fā)現(xiàn)，數(shù)值結果與實測數(shù)據(jù)吻合更好，與風洞試驗結果有一定偏差，分析原因為：數(shù)值模型未完全參照龍卷風模擬器設置，未能考慮下降流（rotating forced downdraft）的影響；數(shù)值計算未考慮粗糙度影響，而風洞試驗中地面有一定粗糙度。

4 結論

本文提出了一種用數(shù)值方法模擬龍卷風風場的可能性方法，且經與實測及試驗結果對比，驗證了其可行性和正確性。

【參考文獻】

[1]Le K，Haan F L，Gallus W A，et al.CFD simulations of the flow field of a laboratory-simulated tornado for parameter sensitivity studies and comparison with field measurements[J].Wind & Structures An International Journal，2008，11（2）：75-96.

[2]王錦，周強，曹曙陽，等.龍卷風風場的試驗模擬[J].同濟大學學報（自然科學版），2014，42（11）：1654-1659.

[3]Ward N B.The Exploration of Certain Features of Tornado Dynamics Using a Laboratory Model[J].Journal of Atmospheric Sciences，1972，29.

[4]Jr F L H，Sarkar P P，Gallus W A.Design，construction and performance of a large tornado simulator for wind engineering applications[J].Engineering Structures，2008， 30（4）：1146-1159.

[責任編輯：田吉捷]