下击暴流低空风切变数值模拟

2020-12-01陈宇钡吉柏锋

四川建材 2020年11期

陈宇钡，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

低空风切变是指600 m以下空气层中风向和风速突然发生变化的现象。由于下击暴流的形成和发展过程，下击暴流风场中存在着很强的三维风切变，在中心处存在很强的下冲气流，在某些位置风速甚至会发生180°的变化，这会给建筑物和大型交通工具带来很大的危害。周娜等[1]通过模糊逻辑与建模的方法模拟了A300飞机穿越下击暴流流场时的进场着陆特性，结果显示飞机穿越下击暴流时所受到的影响与飞机所处高度有着很大的关系;邹鑫等[2]利用固定的冲击射流装置模拟了稳态的雷暴冲击风风场，通过调整建筑模型在风场中的位置，得到了距离下击暴流中心不同位置处高层建筑的风荷载响应特点。熊兴隆等[3]利用CFD(Computational Fluid Dynamics)的方法深入研究了低空风切变的形成机理和地貌因素对低空风切变的影响。本文使用Gambit软件，基于冲击射流模型模拟出下击暴流缩尺风场，利用商业CFD软件Fluent完成下击暴流风场的模拟，通过分析下击暴流风场中的速度变化来研究下击暴流引起的低空风切变的发展特点。

1 模型建立

1.1 下击暴流风场

按照1∶19.13的缩尺比，网格首层层高△y取0.003，增长率取1.2，一共生成20层，总层高为0.560 1 m，预估y+值为120。总网格数约为360万。图1为所建下击暴流风场网格。

图1 下击暴流风场网格

图1中，1、2、3号网格表示压力出口、1、3、6号网格表示对称面、4号网格表示滑移壁面、5号网格代表速度入口、网格底部为壁面。边界条件设置情况如表1所示。

边界类型边界条件速度入口湍流强度1%,水力直径30 m压力出口湍流强度1%,水力直径30 m对称面取symmetry条件滑移壁面取滑移壁面,零剪应力壁面采用标准壁面处理

1.2 数值模拟

数值模拟所得下击暴流风场对称面处的速度云图如图2所示。

图2 速度云图

如图2所示，以下击暴流的速度分布和常规风相比有很大不同。在下击暴流中区域，速度竖直向下，在入流口处存在最大速度。在、随着距离下击暴流中心距离的增加，近地面出水平风速开始发展，发展到最大值后迅速衰减。

以下击暴流风场中(-17,17)为起点、(40,0)为终点的一条线上的风切变发展情况如图3所示。

图3 三向速度变化

图3中，横坐标为距离下击暴流风场的距离，纵坐标为某点处速度和入流速度的比值。从图3更直观地看到下击暴流风场中速度的变化。在X=40 m处，横向的水平风速最大，是入流速度的80%。侧向风速也是该路线上的最大值，是入流速度的20%。竖向风速最小，和入流速度的比值为0左右。随着离下击暴流风场中心距离的拉近，横向风速迅速减小，竖向风速迅速增加，侧向风速整体变化不大，这是由于该路线位于对称面处。当在X=-17 m处(即下击暴流中心处)，竖向风速达到最大值，是入流风速的90%，横向风达到最小值，和入流速度的比值为0左右，侧向风速也达到最小值，是入流速度的10%左右。

综上，下击暴流风场中速度变化很大。在下击暴流中心处，竖向风速最大，横向和侧向风速很小，当距离下击暴流中心的距离加大，竖向风速迅速减小，横向和侧向风速迅速发展，从而形成很强的低空风切变。