核電站常規(guī)島主廠房龍卷風(fēng)荷載的CFD模擬

湯 卓 呂令毅

(東南大學(xué)土木工程學(xué)院，南京 210096)

核電站常規(guī)島主廠房龍卷風(fēng)荷載的CFD模擬

湯 卓 呂令毅

(東南大學(xué)土木工程學(xué)院，南京 210096)

采用計算流體動力學(xué)(CFD)方法研究了核電站常規(guī)島主廠房的龍卷風(fēng)荷載.首先，以圓柱體計算流域模擬龍卷風(fēng)的風(fēng)場，并采用雷諾平均Navier-Stokes方程描述流域內(nèi)的湍流運(yùn)動，計算分析了龍卷風(fēng)的速度分布和氣壓分布.計算結(jié)果與根據(jù)經(jīng)典的蘭金渦流模型得到的結(jié)果吻合良好，驗證了該方法的可靠性.然后，對某核電站進(jìn)行龍卷風(fēng)風(fēng)場的數(shù)值模擬，獲得了常規(guī)島主廠房在龍卷風(fēng)作用下的風(fēng)荷載參數(shù).模擬結(jié)果表明，在龍卷風(fēng)作用下，常規(guī)島主廠房的風(fēng)荷載主要表現(xiàn)為吸力，主廠房側(cè)面的吸力較小，主廠房屋面處的吸力較大.CFD方法能夠較好地模擬龍卷風(fēng)對常規(guī)島的風(fēng)荷載作用.研究結(jié)果為核電常規(guī)島項目的建設(shè)提供了技術(shù)支撐.

核電站;龍卷風(fēng);蘭金渦流模型;CFD

龍卷風(fēng)是一種極端天氣現(xiàn)象，在普通的建筑設(shè)計中，通常不考慮抗龍卷風(fēng)問題.但對于核電站，為保證在龍卷風(fēng)災(zāi)害中不發(fā)生核安全問題，在廠址區(qū)域可能發(fā)生龍卷風(fēng)的情況下，需要對核電站進(jìn)行龍卷風(fēng)作用分析.

龍卷風(fēng)具有與常規(guī)大氣邊界層風(fēng)完全不同的風(fēng)場特征.國外學(xué)者采用風(fēng)場實測、理論分析、實驗室物理模擬和數(shù)值模擬等方法對龍卷風(fēng)進(jìn)行了大量研究.VORTEX2是迄今為止規(guī)模最大的龍卷風(fēng)研究計劃，由美國國家科學(xué)基金會(NSF)及美國國家海洋和大氣管理局(NOAA)提供研究資金.龍卷風(fēng)產(chǎn)生的時間隨機(jī)性和地域隨機(jī)性，使得對其風(fēng)場實測存在實際操作上的困難.Sun等［1］通過理論推導(dǎo)給出了適用于核電站風(fēng)荷載計算的龍卷風(fēng)簡化模型.Haan等［2-3］等利用龍卷風(fēng)模擬器研究了龍卷風(fēng)的風(fēng)場特性以及龍卷風(fēng)對建筑物的作用.試驗研究的諸多限制以及解析方法的局限性使得人們轉(zhuǎn)向數(shù)值模擬方法，文獻(xiàn)［4-7］在數(shù)值模擬龍卷風(fēng)場方面進(jìn)行了嘗試.

CFD模擬在建筑風(fēng)工程領(lǐng)域具有廣泛的發(fā)展前景［8］.本文以圓柱體計算流域模擬龍卷風(fēng)場，采用雷諾平均Navier-Stokes方程(N-S方程)描述流域內(nèi)的湍流運(yùn)動，對常規(guī)島主廠房進(jìn)行龍卷風(fēng)場的數(shù)值模擬，獲得了常規(guī)島主廠房在龍卷風(fēng)作用下的風(fēng)荷載參數(shù).

1 數(shù)值計算方法

近地層大氣可看作是近似不可壓縮牛頓黏性流體.此時，在直角坐標(biāo)系下，問題的控制方程簡化為如下的Navier-Stokes方程:

連續(xù)方程

動量方程

式中，ui和uj分別為流體微元體速度在i，j方向上的分量;ρ為空氣密度;p為風(fēng)壓;Fi為體力密度在i方向上的分量;μ為動力黏度;xi和xj分別為i，j方向上的坐標(biāo);t為時間.

本文采用RANS方法求解N-S方程，前提條件是選擇合適的湍流模型來封閉計算.這里采用Realizablek-ε模型模擬湍流流動，該模型的湍動能及湍流耗散率輸運(yùn)方程分別為

式中，k為湍動能;ε為湍動耗散率;μt為湍動黏度;為平均速度梯度引起的湍動能;σk，σε分別為湍動能及其耗散率的湍流普朗特數(shù)，且此處 σk=1.0，σε=1.2;v為運(yùn)動黏度.

選用非平衡壁面函數(shù)與Realizablek-ε模型聯(lián)合使用［9］.

采用圓柱體計算流域模擬龍卷風(fēng)場.計算流域半徑Rfield=600 m，高Hfield=800 m，速度入口高Hin=200 m，壓力出口半徑Rout=100 m.圖1為計算流域示意圖，坐標(biāo)原點位于圓柱體底面中心處.

圖1 計算流域示意圖

計算的初始條件如下:幾何縮尺為1∶1 000［4］;入流速度Vin=20.6 m/s，速度縮尺為 1∶2，入流角α為速度方向與入流面法線方向的夾角，本文取α=20°(見圖2)，速度入口的湍流強(qiáng)度取 1.0%;壓力出口的氣壓為101.3 kPa;地面采用無滑移壁面.對壓力和速度場的耦合采用SIMPLEC算法求解，流體的空間離散采用二階迎風(fēng)格式.計算采用精度較高、收斂性較好的結(jié)構(gòu)網(wǎng)格，網(wǎng)格數(shù)量約為1×106.圖3給出了計算流域的網(wǎng)格劃分情況.

圖2 速度入口示意圖

2 計算方法的可靠性驗證

為了驗證計算方法的可靠性，首先對龍卷風(fēng)場進(jìn)行數(shù)值模擬.對模擬得到的龍卷風(fēng)速度場和氣壓場進(jìn)行分析，并將無量綱化的速度分布和氣壓分布與根據(jù)經(jīng)典的蘭金渦流(Rankine vortex)模型得到的結(jié)果進(jìn)行對比.龍卷風(fēng)場可以用切向風(fēng)速、徑向風(fēng)速、軸向風(fēng)速以及氣壓降來描述.蘭金渦流模型是一種不考慮軸向流運(yùn)動的二維渦流.為此，本文主要分析和對比切向風(fēng)速和氣壓降.

圖3 計算流域網(wǎng)格劃分

蘭金渦流模型可表示為［10］

式中，Vt為切向速度;Vtm為切向速度最大值;r為徑向坐標(biāo)，坐標(biāo)原點為風(fēng)場中心;Rm為最大切向速度半徑.

最大氣壓降可表示為

雖然計算流域半徑為600 m，高為800 m，但是只有底部核心區(qū)域才是接近龍卷風(fēng)結(jié)構(gòu)的渦旋風(fēng)場，該區(qū)域大致范圍為r＜350 m，z＜400 m.圖4為計算流域軸向剖面的速度云圖.由圖可知，流域的漩渦比較靠近流域中心軸線，且呈現(xiàn)出較明顯的漏斗形狀.

圖4 流域軸向剖面的切向速度云圖

圖5為計算流域水平剖面的切向速度云圖;圖6為流域核心區(qū)域水平剖面的速度矢量圖.速度云圖的范圍為整個流域的水平剖面;為了標(biāo)示清楚風(fēng)場中氣體的流向，速度矢量圖的范圍僅為核心區(qū)域的水平剖面.由圖5可知，速度分布的特征為:流域中心處速度很小，無量綱化速度接近于0，隨著半徑的增加迅速增大至極大值，然后慢慢減小.

圖5 流域水平剖面的切向速度云圖(z=80 m)

圖6 核心區(qū)域水平剖面的速度矢量圖(z=80 m)

核電項目中常規(guī)島主廠房最高點的標(biāo)高約為60 m.考慮到建筑物會對流場產(chǎn)生擾動，本文主要考察z≤120 m范圍內(nèi)的流場分布情況.圖7為不同高度處的速度分布曲線圖.由圖可知，不同高度上的速度分布略有變化，但基本走勢相同，且與根據(jù)蘭金渦流模型得到的結(jié)果吻合較好.

圖7 不同高度處切向速度的計算結(jié)果對比

圖8為計算流域水平剖面氣壓云圖.氣壓云圖的范圍為整個流域的水平剖面.圖中，Δp=pref－p為氣壓降，pref和p分別為流域入口處氣壓和計算節(jié)點處氣壓.由圖可知，流域中心處氣壓降最大，無量綱化氣壓降為1，且隨著半徑的增加而迅速減小.

圖8 流域水平剖面的氣壓云圖(z=80 m)

圖9給出了不同高度處的氣壓分布.由圖可知，不同高度上速度分布略有變化，但基本走勢相同.除z=20 m處外，其余均與根據(jù)蘭金渦流模型得到的結(jié)果吻合較好.

圖9 不同高度處的風(fēng)壓計算結(jié)果對比

3 計算及結(jié)果分析

以我國東南地區(qū)某在建核電站為例，進(jìn)行數(shù)值計算和分析.根據(jù)氣象部門的調(diào)查，廠址區(qū)域天氣變化較復(fù)雜，龍卷風(fēng)時有發(fā)生.參照設(shè)計部門提供的初步設(shè)計圖紙，對常規(guī)島主廠房進(jìn)行建模.常規(guī)島主廠房高35 m，核島高59 m，項目總長245 m，寬度為70 m.為了準(zhǔn)確模擬常規(guī)島的風(fēng)環(huán)境，對核島及其附屬結(jié)構(gòu)也進(jìn)行了建模，建模過程中忽略了一些細(xì)微而復(fù)雜的部分.建筑物周圍采用適應(yīng)性較好的四面體網(wǎng)格，其余部分采用計算精度較高的六面體網(wǎng)格，網(wǎng)格劃分情況見圖10.邊界條件及計算方法均與上述數(shù)值計算方法保持一致.

壓力系數(shù)定義為

圖11和圖12分別為核電站周圍風(fēng)場的速度矢量圖和壓力系數(shù)云圖.由圖11可得計算流域在核電站周圍形成的旋轉(zhuǎn)風(fēng)場以及風(fēng)遇到建筑物時的繞流情況.由圖12可知，核電站周圍的壓力系數(shù)均小于0，表示核電站周圍的氣壓小于參考?xì)鈮?圖13給出了常規(guī)島主廠房壓力系數(shù)的計算結(jié)果.由圖可知，在龍卷風(fēng)作用下，主廠房的氣壓基本為負(fù)值，表現(xiàn)為吸力.主廠房側(cè)面的吸力較小，壓力系數(shù)的范圍大致為(－0.5，0.0);主廠房屋面處的吸力較大，壓力系數(shù)的范圍大致為(－1.4，－0.3).

圖10 核電站周圍網(wǎng)格劃分

圖11 核電站周圍風(fēng)場的速度矢量圖

4 結(jié)語

采用計算流體動力學(xué)(CFD)方法對某核電站進(jìn)行龍卷風(fēng)場數(shù)值模擬，獲得了常規(guī)島主廠房在龍卷風(fēng)作用下的風(fēng)荷載參數(shù).研究結(jié)果表明:在龍卷風(fēng)作用下，常規(guī)島主廠房的風(fēng)荷載主要表現(xiàn)為吸力;主廠房側(cè)面的吸力較小，主廠房的屋面處的吸力較大.由此可知，采用CFD方法能夠很好地模擬龍卷風(fēng)對核電站常規(guī)島主廠房的風(fēng)荷載作用.

圖12 核電站周圍風(fēng)場的氣壓云圖

圖13 常規(guī)島主廠房的壓力系數(shù)云圖

［1］Sun C N，Burdette E G，Barnett R O.Theoretical tornado vortex model for nuclear plant design［J］.Nuclear Engineering and Design，1977，44(3):407-411.

［2］ Haan J F L，Sarkar P P，Gallus W A.Design，construction and performance of a large tornado simulator for wind engineering applications［J］.Engineering Structures，2008，30(4):1146-1159.

［3］Mishra A R，James D L，Letchford C W.Physical simulation of a single-celled tornado-like vortex.Part A:flow field characterization［J］.Journal of Wind Engineering and Industrial Aerodynamics，2008，96(8/9):1243-1257.

［4］ Ishihara T，Oh S，Tokuyama Y.Numerical study on flow fields of tornado-like vortices using the LES turbulence model［J］.Journal of Wind Engineering and Industrial Aerodynamics，2011，99(4):239-248.

［5］ Maruyama T.Simulation of flying debris using a numerically generated tornado-like vortex［J］.Journal of Fluids and Structures，2011，99(4):249-256.

［6］ Drullion F.Numerical simulation of tornado-like vortices around complex geometries［J］.International Journal of Computer Mathematics，2009，86(10/11):1947-1955.

［7］ Lewellen D C，Lewellen W S.Near-surface intensification of tornado vortices［J］.Journal of the Atmospheric Sciences，2007，64(7):2176-2194.

［8］湯卓，呂令毅.雷暴沖擊風(fēng)荷載的大渦模擬［J］.空氣動力學(xué)學(xué)報，2011，29(1):47-51.

Tang Zhuo，Lü Lingyi.Large eddy simulation of downburst wind load［J］.Acta Aerodynamica Sinica，2011，29(1):47-51.(in Chinese)

［9］湯卓，呂令毅，李萍，等.高聳異型煙囪橫風(fēng)向氣動參數(shù)CFD模擬［J］.振動與沖擊，2009，28(10):137-140.

Tang Zhuo，Lü Lingyi，Li Ping，et al.CFD simulation for across-wind aerodynamic parameters ofspecialshaped tall chimney ［J］.Journal of Vibration and Shock，2009，28(10):137-140.(in Chinese)

［10］湯卓，張源，呂令毅.龍卷風(fēng)風(fēng)場模型及風(fēng)荷載研究［J］.建筑結(jié)構(gòu)學(xué)報，2012，33(3):104-110.

Tang Zhuo，Zhang Yuan，Lü Lingyi.Study on tornado model and tornado-induced wind loads［J］.Journal of Building Structures，2012，33(3):104-110.(in Chinese)

CFD simulation of tornado-induced wind loads on main powerhouse of conventional island in nuclear power plant

Tang Zhuo Lü Lingyi
(School of Civil Engineering，Southeast University，Nanjing 210096，China)

Computational fluid dynamics(CFD)is employed to investigate tornado-induced wind loads on main powerhouse of conventional island in nuclear power plant.First，a cylindrical domain is used to simulate the field of tornado-induced wind，and the turbulent flow in the field is represented by Reynolds-averaged Navier-Stokes equations(RANS).The velocity distributions and the pressure distributions of tornadoes are studied.The computational results are in good agreements with the data obtained from the Rankine vortex model，indicating the effectiveness of the method.Then，the wind load parameters on main powerhouse of conventional island under tornado are obtained by numerical simulations.The simulation results show that tornado-induced wind loads on main powerhouse of conventional island in nuclear power plant are mainly negative.Wind loads on the wall are smaller than those on the roof.Therefore，CFD simulation is suitable for the accurate simulation of tornado-induced wind loads on nuclear power plant.The results provide a technical support for nuclear power projects.

nuclear power plant;tornado;Rankine vortex model;computational fluid dynamics(CFD)

TU312

A

1001－0505(2012)06-1164-05

10.3969/j.issn.1001 －0505.2012.06.026

2012-01-04.

湯卓(1981—)，男，博士生;呂令毅(聯(lián)系人)，男，博士，教授，博士生導(dǎo)師，lylu@seu.edu.cn.

湯卓，呂令毅.核電站常規(guī)島主廠房龍卷風(fēng)荷載的CFD模擬［J］.東南大學(xué)學(xué)報:自然科學(xué)版，2012，42(6):1164-1168.［doi:10.3969/j.issn.1001 －0505.2012.06.026］