下擊暴流風雨場的數值模擬

丁夢陽，吉柏鋒

(武漢理工大學 土木工程與建筑學院，湖北 武漢 430070)

0 前 言

1978年，Fujita[1]將下擊暴流定義為在雷暴天氣下強下沉氣流迅速下降沖擊地面后產生的一種短時強風。下擊暴流會在距離地面比較近的位置產生巨大的風速，最大風速超過了60 m/s。由于下擊暴流風場的特異性，使得下擊暴流的風驅雨現象與大氣邊界層風的風驅雨現象有很大不同。目前研究風雨耦合作用的方法主要包括現場實測、物理試驗和數值仿真。1991年Choi[2]利用CFD技術基于雷諾平均法得到了三維穩態風場下雨滴軌跡，并且得到了建筑表面的WDR(Wind-Driven Rain)分布。2013年，于淼[3]利用Fluent的離散相模型研究了三維風場下建筑迎風面的雨滴及荷載分布規律，并探究了風向角對風驅雨量的影響。2016年，王輝等[4]利用歐拉多相流的方法對下擊暴流的風驅雨進行了研究，得出不同工況下建筑表面風雨共同作用下的荷載并與風荷載進行了對比。本文基于沖擊射流模型，采用數值模擬的方法對下擊暴流的風雨場進行模擬。對下擊暴流的風剖面進行驗證，并研究了不同直徑的雨滴在風的驅動力下沿徑向擴散的距離。

1 數值模擬

1.1 風驅雨數值模擬方法

以本文選用ANSYS-Fluent2019中的離散相模型進行風驅雨模擬。離散相模型是在拉格朗日坐標系中通過平衡力方程來求解顆粒軌跡，平衡力使作用在粒子上的外力與自身慣性力相等，可以用式(1)表示：

(1)

式中，FD(u-up)為單位質量曳力。

1.2 計算模型與參數設置

近年來大量針對下擊暴流的研究發現，基于沖擊射流模型對下擊暴流的模擬與實測數據吻合較好，因此，本文基于沖擊射流模型對下擊暴流進行研究。參照實際微下擊暴流的尺度建立下擊暴流模型，其中出流直徑Djet=400 m，出流速度Vjet=18 m/s，出流高度Hjet=3Djet。根據目前使用比較廣泛的雨滴譜分布規律，馬歇爾-帕爾默(Marshall-Palmer)指數分布[5]，即：N(D)=N0exp(-ΔD)。根據數量占優原則，選取直徑徑分別為0.2、0.6、1、1.8、3.5 mm的五種粒徑進行模擬?？紤]下擊暴流的對稱性，本文選取1/4區域進行計算。計算域二維示意圖如圖1所示。

圖1 下擊暴流計算域示意圖

本文選用SSTk-ω湍流模型進行數值模擬。使用Simple方法對速度場和壓力場進行求解，使用二階迎風格式對動量、湍動能、湍流耗散率進行離散。選取雨強I=100 mm/h。下擊暴流風雨場模擬的邊界條件見表1。

表1 風驅雨模擬的邊界條件設置

1.3 模擬結果與分析

提取數值模擬結果中最大風速所在的風剖面對速度和高度無量綱化處理，分別用v/vmax和z/zmax表示(vmax為最大風速，zmax表示最大風速所在的高度)，將提取的風剖面與下擊暴流實測結果、風剖面模型和物理試驗進行比較，從而對數值模擬的有效性進行驗證，對比結果如圖2所示。

圖2 下擊暴流風剖面對比

從圖2中可以看到，利用SSTk-ω湍流模型得到的結果與風剖面模型、物理試驗和實測數據均能較好的吻合。

下擊暴流風雨場中不同直徑雨滴的運動軌跡如圖3所示。

(a)雨滴直徑0.2 mm

(b)雨滴直徑1.0 mm

(c)雨滴直徑3.5 mm圖3 濕下擊暴流下的雨滴運動軌跡

因篇幅限制，本文只給出了三種直徑雨滴的運動軌跡圖。從圖3可以發現直徑為0.2 mm的雨滴在近地面受到下擊暴流擴散風的作用下能移動到較遠的位置，最遠達到距風暴中心3Djet的位置。直徑為1 mm的雨滴最遠才只能到達距風暴中心1Djet的位置。直徑為3.5 mm的雨滴則直接沿豎直方向撞擊到地面上，幾乎沒有沿徑向擴散。

2 結 論

本文基于沖擊射流模型，采用數值模擬的方法對下擊暴流的風雨場進行模擬。發現利用SSTk-ω湍流模型得到的風剖面與風剖面模型、物理試驗和實測數據均能較好的吻合。通過對比下擊暴流風雨場中不同直徑雨滴的運動軌跡，發現在雨滴沿水平方向的擴散距離隨雨滴直徑的增大而減小，直徑為0.2 mm的雨滴最遠能達到距風暴中心3Djet的位置。直徑為3.5 mm的雨滴最遠只能達到距風暴中心0.7Djet的位置。

[ID:010413]