下擊暴流低空風切變數值模擬

陳宇鋇，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

低空風切變是指600 m以下空氣層中風向和風速突然發生變化的現象。由于下擊暴流的形成和發展過程，下擊暴流風場中存在著很強的三維風切變，在中心處存在很強的下沖氣流，在某些位置風速甚至會發生180°的變化，這會給建筑物和大型交通工具帶來很大的危害。周娜等[1]通過模糊邏輯與建模的方法模擬了A300飛機穿越下擊暴流流場時的進場著陸特性，結果顯示飛機穿越下擊暴流時所受到的影響與飛機所處高度有著很大的關系;鄒鑫等[2]利用固定的沖擊射流裝置模擬了穩態的雷暴沖擊風風場，通過調整建筑模型在風場中的位置，得到了距離下擊暴流中心不同位置處高層建筑的風荷載響應特點。熊興隆等[3]利用CFD(Computational Fluid Dynamics)的方法深入研究了低空風切變的形成機理和地貌因素對低空風切變的影響。本文使用Gambit軟件，基于沖擊射流模型模擬出下擊暴流縮尺風場，利用商業CFD軟件Fluent完成下擊暴流風場的模擬，通過分析下擊暴流風場中的速度變化來研究下擊暴流引起的低空風切變的發展特點。

1 模型建立

1.1 下擊暴流風場

按照1∶19.13的縮尺比，網格首層層高△y取0.003，增長率取1.2，一共生成20層，總層高為0.560 1 m，預估y+值為120。總網格數約為360萬。圖1為所建下擊暴流風場網格。

圖1 下擊暴流風場網格

圖1中，1、2、3號網格表示壓力出口、1、3、6號網格表示對稱面、4號網格表示滑移壁面、5號網格代表速度入口、網格底部為壁面。邊界條件設置情況如表1所示。

邊界類型邊界條件速度入口湍流強度1%,水力直徑30 m壓力出口湍流強度1%,水力直徑30 m對稱面取symmetry條件滑移壁面取滑移壁面,零剪應力壁面采用標準壁面處理

1.2 數值模擬

數值模擬所得下擊暴流風場對稱面處的速度云圖如圖2所示。

圖2 速度云圖

如圖2所示，以下擊暴流的速度分布和常規風相比有很大不同。在下擊暴流中區域，速度豎直向下，在入流口處存在最大速度。在、隨著距離下擊暴流中心距離的增加，近地面出水平風速開始發展，發展到最大值后迅速衰減。

以下擊暴流風場中(-17,17)為起點、(40,0)為終點的一條線上的風切變發展情況如圖3所示。

圖3 三向速度變化

圖3中，橫坐標為距離下擊暴流風場的距離，縱坐標為某點處速度和入流速度的比值。從圖3更直觀地看到下擊暴流風場中速度的變化。在X=40 m處，橫向的水平風速最大，是入流速度的80%。側向風速也是該路線上的最大值，是入流速度的20%。豎向風速最小，和入流速度的比值為0左右。隨著離下擊暴流風場中心距離的拉近，橫向風速迅速減小，豎向風速迅速增加，側向風速整體變化不大，這是由于該路線位于對稱面處。當在X=-17 m處(即下擊暴流中心處)，豎向風速達到最大值，是入流風速的90%，橫向風達到最小值，和入流速度的比值為0左右，側向風速也達到最小值，是入流速度的10%左右。

綜上，下擊暴流風場中速度變化很大。在下擊暴流中心處，豎向風速最大，橫向和側向風速很小，當距離下擊暴流中心的距離加大，豎向風速迅速減小，橫向和側向風速迅速發展，從而形成很強的低空風切變。

2 結 論

從數值模擬的結果可以看到，下擊暴流風場中的速度會隨著距離下擊暴流風場的距離發生很大的變化。在下擊暴流中心處，豎向風速最大，橫向風速和側向風速幾乎為零；隨著距離下擊暴流中心距離的增大，豎向風速迅速減小，橫向風速和側向風速得到發展，形成很強的低空風切變。

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