雷暴冲击风作用下地面风压分布特征

汤 卓 吕令毅

(东南大学土木工程学院，南京 210096)

(东南大学混凝土及预应力混凝土教育部重点实验室，南京 210096)

雷暴冲击风是雷暴天气中强烈的下沉气流猛烈冲击地面形成的辐散大风［1］，产生严重的低空风切变，造成树木刮倒、建筑物破坏、飞机坠毁等事故［2］.

雷暴冲击风具有与常规大气边界层风完全不同的风场特征.国外学者采用风场实测、理论研究、实验室物理模拟和数值模拟等方法对雷暴冲击风进行了大量研究［3-11］.雷暴冲击风产生的时间随机性和地域随机性使得对冲击风的风场实测存在实际操作上的困难.国内学者主要采用实验室物理模拟和数值模拟对雷暴冲击风进行研究.文献［12］利用主动控制风洞模拟了雷暴冲击风气流剖面和阶跃流时程，通过模型试验观测高层结构模型在突变气流作用下结构空气动力学参数的变化特征;文献［13］在FLUENT平台上，采用非定常雷诺平均(URANS)方法研究雷暴冲击风的基本特征;文献［14］利用雷诺平均方法(RANS)研究雷暴冲击风风场特性，通过改变雷暴冲击风描述参数，研究雷暴冲击风水平风速及竖向风速的分布特性变化情况.随着计算机技术的发展，CFD模拟成为一种具有广泛发展前景的方法［15］.本文采用大涡模拟(LES)方法对雷暴冲击风场进行了数值模拟，获得了雷暴冲击风从初始喷射到流场稳定的发展过程.所得风速剖面与理论结果吻合良好，验证了方法的可靠性.分析得到了雷暴冲击风作用下地面的风压时程和平均风压，并根据计算结果提出了雷暴冲击风作用下地面风压的简便计算公式.

1 数值计算方法

大尺度涡运动的控制方程，是经滤波函数过滤后的N-S方程，即

式中，ρ为空气密度，τij为亚格子应力，反映了亚格子尺度涡运动对可分辨尺度涡运动的影响，需要构造亚格子模型来加以模拟.大多数亚格子模型都是在涡黏性的基础上，把脉动的影响用湍流黏性系数μt来表示，即

本文采用Smagorinsky-Lilly模型求解湍流黏性系数，即

式中，Cs为无量纲常数，本文取Cs=0.10;κ为冯·卡门常数.

采用圆柱体计算流域模拟雷暴冲击风场，计算流域半径为3.0 km，高1.5 km，喷射初始直径Djet=800 m，图1给出了计算流域示意图.计算采用结构网格，网格数量约120万，图2给出了计算流域的网格划分情况.

图1 计算流域示意图(单位:km)

图2 计算流域网格划分

研究表明［13］，从几何和速度尺度考虑，雷暴冲击风最适宜的CFD足尺模拟初始条件为:喷射初速Vjet=29 m/s.本文边界条件为:湍流强度取1.0%(速度入口);压力取0.101 3 MPa(压力出口);地面采用无滑移壁面.对压力和速度场的耦合采用SIMPLEC算法求解，流体的空间离散采用二阶迎风格式(second order upwind).

定义压力系数为

式中，p为相对压力;pref为参考静压力，取1个标准大气压.

2 数值计算结果

2.1 速度分布

对雷暴冲击风场进行数值模拟，计算从初始喷射到流场稳定的发展过程，采用无量纲时间T=tVjet/Djet表示，无量纲时间步长为0.005.图3给出了流场发展过程中某时刻流场的涡量图.由图3可以看出，在射流前沿有一水平涡环，随着时间的推移而冲向地面，然后沿径向远离中心而去.图4给出了相同时刻下雷暴冲击风场剖面的速度矢量图，其中，横坐标为径向坐标r，纵坐标为竖向坐标z，箭头长度表示速度的大小，箭头的指向表示速度的方向.

图3 雷暴冲击风场涡量图

图4 雷暴冲击风场速度矢量图

图5为z=10 m处不同时刻下风速剖面和文献［3］的经验风速剖面对比;图6为r=1.0D处的风速剖面和文献［4］的经验风速剖面对比.

图5 风速剖面对比(z=10 m)

图6 风速剖面对比(r=1.0D)

由图5和图6可以看出，不同时刻的风速剖面有较大的区别，反映了雷暴冲击风场的非定常特性，而各个时刻的风速剖面均匀地分布在经验风速剖面的两侧，说明LES结果和经验风速剖面吻合良好.

2.2 风压分布

图7给出了地面不同位置的压力系数时程曲线.由图7可以看出，所有位置均先达到一个峰值(即最大值)，然后趋于稳定的小幅振荡.这和雷暴冲击风场的特性相吻合:在射流前沿有一水平涡环，其后是一列空间尺度较小的涡环.图8给出了地面处压力系数的时均值.

图7 压力系数时程曲线

图8 平均压力系数

3 风压分布简便计算公式

由图8可知，雷暴冲击风作用下地面处压力系数的分布特征:雷暴冲击风中心(r/D=0.0)处压力系数最大(Cp≈1.0);压力系数随着r/D的增大而减小，至r/D≥1.3时，Cp≈0.0.雷暴冲击风作用下地面压力系数为

图9给出了与式(8)对应的曲线.

图9 压力系数简便公式

由图10可以看出，式(8)计算结果与文献［6］及LES结果吻合非常好;与文献［5］稍有误差，最大值误差约为5%，说明式(8)能够很好地表达雷暴冲击风作用下地面压力系数的分布特征.

图10 式(8)结果与实验、数值结果对比

4 结语

采用大涡模拟(LES)方法，结合壁面射流模型研究雷暴冲击风作用下地面风压分布特征.对雷暴冲击风场进行数值模拟，计算得到了计算域的涡量场和速度场，所得风速剖面与经验模型吻合较好，验证了方法的可靠性.分析得到了雷暴冲击风作用下地面风压时程和平均风压，并根据计算结果提出了雷暴冲击风作用下地面处风压的简便计算公式.

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