龍卷風(fēng)對(duì)低矮建筑破壞的機(jī)理分析★

張靜紅 荀 勇

(鹽城工學(xué)院土木工程學(xué)院，江蘇 鹽城 224001)

1 概述

2016年6月23日，鹽城阜寧發(fā)生了級(jí)別為EF4的龍卷風(fēng)，其速度最高達(dá)到了73 m/s以上，該龍卷風(fēng)對(duì)包括阜寧板湖鎮(zhèn)在內(nèi)的7個(gè)鎮(zhèn)區(qū)22個(gè)村(居)的建筑造成了巨大的破壞、人員傷亡和財(cái)產(chǎn)損失。氣象觀測(cè)表明，6月23號(hào)下午，副熱帶高壓北抬到江蘇沿江附近，蘇北大部在副高北側(cè)西南急流中，地面在暖低壓倒槽中，濕熱異常，露點(diǎn)溫度超過28 ℃，達(dá)到廣東沿海的水準(zhǔn)，大氣能量極為充沛；同時(shí)東北冷渦也在行動(dòng)，它從高空甩下來的一小股干冷空氣侵入西南濕熱氣流中，誘發(fā)出強(qiáng)度驚人的超級(jí)單體，并最終導(dǎo)致極端龍卷風(fēng)的誕生。此次鹽城阜寧的龍卷風(fēng)發(fā)生的過程與中氣旋的理論較為符合，角動(dòng)量守恒原理和氣體自由渦理論并不能解釋氣流從上向下發(fā)展的過程，也難以解釋龍卷風(fēng)蘊(yùn)含巨大能量的事實(shí)。

然而，現(xiàn)有資料很難重現(xiàn)龍卷風(fēng)發(fā)生時(shí)對(duì)建筑及周圍環(huán)境的損壞過程，本文采用龍卷風(fēng)流體動(dòng)力學(xué)仿真，再次重現(xiàn)出龍卷風(fēng)發(fā)生時(shí)的流場(chǎng)狀況，并通過流場(chǎng)分析初步揭示了低矮建筑在龍卷風(fēng)中的破壞機(jī)理。

2 龍卷風(fēng)風(fēng)場(chǎng)的數(shù)學(xué)建模

本文龍卷風(fēng)發(fā)生的物理模型采用自然狀態(tài)的龍卷風(fēng)模型[1],包括入口風(fēng)嘴、入流區(qū)域和出流區(qū)域三個(gè)部分。具體為：入口數(shù)量16個(gè)，入口寬度5 m，入口高度200 m，出流區(qū)域?yàn)?00 m，出流半徑為50 m；風(fēng)速入射角為60°，入口風(fēng)速為20 m/s，湍流度和耗散率用大氣湍流公式進(jìn)行計(jì)算；采用四面體網(wǎng)格對(duì)計(jì)算域進(jìn)行劃分，計(jì)算網(wǎng)格430萬個(gè)(如圖1所示)。

邊界條件設(shè)置：1)入口定義為速度入口，風(fēng)速吹入方向與入口邊界垂直，且不隨高度發(fā)生變化；2)出口為出流邊界條件，保證入口和出口質(zhì)量差小于0.5%；3)地面認(rèn)為是無滑移邊界條件，定義為壁面；4)模型內(nèi)部的連續(xù)性類型定義為流體。

在已有的模擬中，湍流模型曾選用SST模型[2]、RNG k-ε模型[3]、雷諾應(yīng)力模型和大渦模擬[4]，本文選用雷諾應(yīng)力模型，此模型已被證明與大渦模擬精度相當(dāng)[4]，計(jì)算采用SIMPLEC算法，壓強(qiáng)松弛因子采用0.8，動(dòng)量采用二階迎風(fēng)格式。計(jì)算在3 000左右穩(wěn)定，故取3 000步的計(jì)算結(jié)果進(jìn)行分析。

3 龍卷風(fēng)風(fēng)場(chǎng)分析結(jié)果及討論

3.1 阜寧龍卷風(fēng)規(guī)模

龍卷風(fēng)模擬結(jié)果顯示(見圖2)，龍卷風(fēng)最大風(fēng)速為75 m/s，與觀測(cè)結(jié)果相符；最大風(fēng)速對(duì)應(yīng)的直徑約為50 m，且在80 m以下沒有明顯變化，在100 m直徑的龍卷風(fēng)范圍內(nèi)風(fēng)速超過35 m/s。在核心區(qū)，龍卷風(fēng)風(fēng)速只有每秒幾米的量級(jí)，接近為0。在50 m以內(nèi)，龍卷風(fēng)近似隨半徑線性增大，而在50 m以外則基本與半徑成反比關(guān)系。

3.2 龍卷風(fēng)壓強(qiáng)分布和垂向風(fēng)速

由圖3可知，從龍卷風(fēng)外圍至核心，壓強(qiáng)逐漸下降，壓強(qiáng)梯度近似與半徑成反比，在核心區(qū)壓強(qiáng)下降至0.8個(gè)大氣壓，在龍卷風(fēng)核心區(qū)形成了很大負(fù)壓荷載。此外，計(jì)算結(jié)果表明，龍卷風(fēng)經(jīng)過區(qū)域具有強(qiáng)烈的上升氣流，最大風(fēng)速所在的環(huán)形區(qū)域垂向風(fēng)速達(dá)到最大，且此處的垂向風(fēng)速隨高度增大而增大，在80 m處可達(dá)10 m/s。這一垂向風(fēng)速是建筑碎屑、塵土和重物被龍卷風(fēng)卷上高空的主要原因。

3.3 近地面龍卷風(fēng)湍流特征

由圖4可知，龍卷風(fēng)發(fā)生時(shí)地表面附近(3 m以下)的湍動(dòng)能、湍流強(qiáng)度及耗散率均達(dá)到最大，這些量隨高度的增加而迅速減小，如5 m處的湍動(dòng)能為3 m處的1/3，為1 m處的1/7；而5 m處的湍流耗散率僅為3 m高度的1/5，為1 m處的1/30。由于地表的摩擦作用，近地面的湍流生成率也僅限于3 m以下，5 m以上基本為0。垂向風(fēng)速的脈動(dòng)強(qiáng)度也表現(xiàn)為隨高度增加迅速衰減的趨勢(shì)。

4 龍卷風(fēng)對(duì)低矮建筑的破壞機(jī)理

下面來分析龍卷風(fēng)風(fēng)場(chǎng)對(duì)低矮建筑房屋的破壞作用，首先分析龍卷風(fēng)對(duì)單一建筑房屋的影響。在前述龍卷風(fēng)風(fēng)場(chǎng)中添加建筑房屋模型，為了簡(jiǎn)化計(jì)算，本文采用長(zhǎng)方體代表房屋，房屋長(zhǎng)8 m，寬6 m，高3 m，屋頂坡度30°，位置為距離龍卷風(fēng)中心25 m處，即處在最大風(fēng)速處。計(jì)算結(jié)果表明，房屋側(cè)向迎風(fēng)面上受正壓(見圖5a))，單位面積受力為28 kN，表明龍卷風(fēng)沖擊力可能是導(dǎo)致建筑墻面倒塌的原因。其次，屋面兩側(cè)垂向流速差異明顯(見圖5b))，表明繞流導(dǎo)致氣流沖擊屋頂側(cè)產(chǎn)生了強(qiáng)烈的垂向風(fēng)速(大于20 m/s)，可導(dǎo)致屋面構(gòu)件破壞并使碎片飛離屋面，部分飛向高空，另一部分則飛向房屋背風(fēng)側(cè)。

為了研究龍卷風(fēng)對(duì)低矮建筑群的破壞機(jī)理，我們對(duì)低矮建筑群周圍的流場(chǎng)進(jìn)行了模擬(見圖6)，并據(jù)此推斷建筑群中的房屋破壞。在CFD模型中，沿x和z方向2倍核心半徑(25 m)的矩形設(shè)置為建筑區(qū)域，共15個(gè)房屋，房屋：8 m×6 m×3 m，屋頂坡度30°。

計(jì)算結(jié)果表明，房屋位置不同，造成氣流沖擊建筑的角度不同，從而造成建筑群中建筑屋頂?shù)膲簭?qiáng)和流速分布的差異，如圖7所示。一般來說，龍卷風(fēng)核心區(qū)內(nèi)，存在著壓差達(dá)0.1個(gè)大氣壓的負(fù)壓(見圖7a))，核心區(qū)外部負(fù)壓對(duì)屋頂破壞影響相對(duì)較小。而垂向風(fēng)速的分布規(guī)律是迎風(fēng)側(cè)具有顯著的正向氣流，背風(fēng)側(cè)存在顯著的下沉氣流，這與單一房屋的結(jié)果相符。

計(jì)算結(jié)果表明，龍卷風(fēng)核心區(qū)內(nèi)存在很強(qiáng)的垂向氣流和垂向風(fēng)速脈動(dòng)(見圖8)，核心區(qū)外的房屋屋角處仍存在很大的垂向氣流，可能是核心區(qū)外部建筑破壞的一個(gè)重要原因。

5 結(jié)語

根據(jù)本次龍卷風(fēng)模擬，可以猜測(cè)：1)龍卷風(fēng)內(nèi)部的負(fù)壓是造成建筑門窗破碎原因；2)近地面強(qiáng)烈的湍動(dòng)能、垂向脈動(dòng)強(qiáng)度將造成房舍等發(fā)生振蕩破壞，且建筑碎屑四處飛濺；3)顯著的垂向氣流將造成大質(zhì)量物體或碎屑飛上高空或拋向離建筑較遠(yuǎn)的地方。因此，在建筑的屋頂設(shè)計(jì)時(shí)，應(yīng)考慮采用不易碎的材料作為屋面材料，且最好應(yīng)進(jìn)行防爆泄壓設(shè)計(jì)。