下击暴流风雨场的数值模拟

丁梦阳，吉柏锋

(武汉理工大学 土木工程与建筑学院，湖北 武汉 430070)

0 前 言

1978年，Fujita[1]将下击暴流定义为在雷暴天气下强下沉气流迅速下降冲击地面后产生的一种短时强风。下击暴流会在距离地面比较近的位置产生巨大的风速，最大风速超过了60 m/s。由于下击暴流风场的特异性，使得下击暴流的风驱雨现象与大气边界层风的风驱雨现象有很大不同。目前研究风雨耦合作用的方法主要包括现场实测、物理试验和数值仿真。1991年Choi[2]利用CFD技术基于雷诺平均法得到了三维稳态风场下雨滴轨迹，并且得到了建筑表面的WDR(Wind-Driven Rain)分布。2013年，于淼[3]利用Fluent的离散相模型研究了三维风场下建筑迎风面的雨滴及荷载分布规律，并探究了风向角对风驱雨量的影响。2016年，王辉等[4]利用欧拉多相流的方法对下击暴流的风驱雨进行了研究，得出不同工况下建筑表面风雨共同作用下的荷载并与风荷载进行了对比。本文基于冲击射流模型，采用数值模拟的方法对下击暴流的风雨场进行模拟。对下击暴流的风剖面进行验证，并研究了不同直径的雨滴在风的驱动力下沿径向扩散的距离。

1 数值模拟

1.1 风驱雨数值模拟方法

以本文选用ANSYS-Fluent2019中的离散相模型进行风驱雨模拟。离散相模型是在拉格朗日坐标系中通过平衡力方程来求解颗粒轨迹，平衡力使作用在粒子上的外力与自身惯性力相等，可以用式(1)表示：

(1)

式中，FD(u-up)为单位质量曳力。

1.2 计算模型与参数设置

近年来大量针对下击暴流的研究发现，基于冲击射流模型对下击暴流的模拟与实测数据吻合较好，因此，本文基于冲击射流模型对下击暴流进行研究。参照实际微下击暴流的尺度建立下击暴流模型，其中出流直径Djet=400 m，出流速度Vjet=18 m/s，出流高度Hjet=3Djet。根据目前使用比较广泛的雨滴谱分布规律，马歇尔-帕尔默(Marshall-Palmer)指数分布[5]，即：N(D)=N0exp(-ΔD)。根据数量占优原则，选取直径径分别为0.2、0.6、1、1.8、3.5 mm的五种粒径进行模拟。考虑下击暴流的对称性，本文选取1/4区域进行计算。计算域二维示意图如图1所示。

图1 下击暴流计算域示意图

本文选用SSTk-ω湍流模型进行数值模拟。使用Simple方法对速度场和压力场进行求解，使用二阶迎风格式对动量、湍动能、湍流耗散率进行离散。选取雨强I=100 mm/h。下击暴流风雨场模拟的边界条件见表1。

表1 风驱雨模拟的边界条件设置

1.3 模拟结果与分析

提取数值模拟结果中最大风速所在的风剖面对速度和高度无量纲化处理，分别用v/vmax和z/zmax表示(vmax为最大风速，zmax表示最大风速所在的高度)，将提取的风剖面与下击暴流实测结果、风剖面模型和物理试验进行比较，从而对数值模拟的有效性进行验证，对比结果如图2所示。

图2 下击暴流风剖面对比

从图2中可以看到，利用SSTk-ω湍流模型得到的结果与风剖面模型、物理试验和实测数据均能较好的吻合。

下击暴流风雨场中不同直径雨滴的运动轨迹如图3所示。

(a)雨滴直径0.2 mm

(b)雨滴直径1.0 mm

(c)雨滴直径3.5 mm图3 湿下击暴流下的雨滴运动轨迹

因篇幅限制，本文只给出了三种直径雨滴的运动轨迹图。从图3可以发现直径为0.2 mm的雨滴在近地面受到下击暴流扩散风的作用下能移动到较远的位置，最远达到距风暴中心3Djet的位置。直径为1 mm的雨滴最远才只能到达距风暴中心1Djet的位置。直径为3.5 mm的雨滴则直接沿竖直方向撞击到地面上，几乎没有沿径向扩散。

2 结 论

本文基于冲击射流模型，采用数值模拟的方法对下击暴流的风雨场进行模拟。发现利用SSTk-ω湍流模型得到的风剖面与风剖面模型、物理试验和实测数据均能较好的吻合。通过对比下击暴流风雨场中不同直径雨滴的运动轨迹，发现在雨滴沿水平方向的扩散距离随雨滴直径的增大而减小，直径为0.2 mm的雨滴最远能达到距风暴中心3Djet的位置。直径为3.5 mm的雨滴最远只能达到距风暴中心0.7Djet的位置。

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