龙卷风风场的数值模拟.docx

龙卷风风场的数值模拟【摘要】龙卷风是一种剧烈的气象运动会对建筑结构造成巨大破坏因此研究龙卷L近地面风场结构及龙卷风荷载是有重要意义的。目前研究以风洞试验居多常用龙卷风风洞分为Ward型龙卷风模拟器和ISU（爱荷华州立大学）型龙卷风模拟器两种。随着CFD（计算流体力学）的发展探讨一种可行的龙卷风风场的数值模拟日显重要。本文采用LES（大涡模拟）方法并与同济大学龙卷风风洞试验对比建立了一种可行的龙卷风风场数值模拟方法。【关键词】龙卷风；风场结构；计算流体力学；数值模拟方法NumericalSimulationoftheTornado-likeVortexZHUJin-weiCHENBing（BridgeEngineeringTongjiUniversityShanghai200092China）【Abstract】Tornadoisamongthemostviolentstormsinnaturewhichcancauseseveredamagestobuildings.It’sofgreatsignificancetostudynear-surfacetornadostructureandtornado-inducedwindloads.MainlytwokindsoftornadosimulatorWard-typeandISU（IowaStateUniversity）-typeareadoptedinresearch.HoweverwiththeprogressinCFDareaexploringanumericalmethodbecomesincreasinglysignificant.Inthisstudylarge-eddysimulationswereconductedtoestablishanumericalmethodtostudythetornadovortexstructure.【Keywords】Tornado；Vortexstructure；CFD；Numericalmethod0前言龙卷风是自然界中最强的气象运动之一伴有强烈的竖向、切向及径向速度近地面风速可达100m/s且有较大气压降因而完全不同于普通大气边界层风会对建筑物造成严重破坏造成人员伤亡及经济损失[1]。美国发生龙卷风数量最多而在中国的中东部地区同样有强龙卷风发生图1显示的是发生于中国的龙卷风风灾统计。图11980-1993年间部分灾害性龙卷风分布[2]统计发现90%的龙卷风强度都不超过F2级该强度对于常规结构而言可以抵抗住。对于F3及更强的龙卷风常规结构在其服务期间内受龙卷风影响的概率很低而对于重要结构（如核电站、医院和学校等）则必须要考虑抗龙卷风设计。综上龙卷风风场特性及龙卷风风载特性的研究对于重要结构的抗龙卷风设计是十分重要的。1龙卷风风场研究方法目前主要有三种方法研究龙卷风风场特性及龙卷风风载特性：现场实测、试验研究和数值模拟。1.1现场实测近几年多普勒雷达的应用使得捕捉龙卷风风场的数据成为可能后续用于与数值结果对比的Spencer龙卷风数据就是由DOW可以的雷达观察得到的。雷达受地表起伏及建筑植物影响较大近地面（20-50m以下）数据无法观测到[1]。而龙卷风多发的平坦地区以低矮建筑为主雷达观测数据无法用作结构风致响应研究因而目前的研究以试验研究和数值模拟为主。1.2试验研究因龙卷风风场完全不同于常规边界层风所以需要建立龙卷风模拟器以研究龙卷风风场特性及风载特性。目前主要有两种类型龙卷风模拟器Ward型和ISU型模拟器。两者的主要区别是：Ward型模拟器导流板在底部而ISU模拟器导流板在顶部。因此在ISU模拟器的优点在于：一方面用旋转的下降流（rotatingforceddowndraft）来模拟真实龙卷风的RFD（rearflankdowndraft）现象；另一方面该模拟器可以在导轨上移动从而可以模拟移动中的龙卷风。同济大学土木工程防灾国家重点实验室的龙卷风模拟器跟ISU模拟器相似见图3。1.3数值模拟随着CFD领域的发展考虑其较好的经济性及可重复性越来越多的学者开始用数值模拟来研究龙卷风的相关特性且已取得一定成果。但龙卷风风场的数值模拟发展还不成熟不同学者采用的数值模型也不同因而本文基于同济大学龙卷风模拟器的尺寸探