下?lián)舯┝黠L(fēng)雨場(chǎng)的數(shù)值模擬

丁夢(mèng)陽(yáng)，吉柏鋒

(武漢理工大學(xué) 土木工程與建筑學(xué)院，湖北 武漢 430070)

0 前 言

1978年，F(xiàn)ujita[1]將下?lián)舯┝鞫x為在雷暴天氣下強(qiáng)下沉氣流迅速下降沖擊地面后產(chǎn)生的一種短時(shí)強(qiáng)風(fēng)。下?lián)舯┝鲿?huì)在距離地面比較近的位置產(chǎn)生巨大的風(fēng)速，最大風(fēng)速超過(guò)了60 m/s。由于下?lián)舯┝黠L(fēng)場(chǎng)的特異性，使得下?lián)舯┝鞯娘L(fēng)驅(qū)雨現(xiàn)象與大氣邊界層風(fēng)的風(fēng)驅(qū)雨現(xiàn)象有很大不同。目前研究風(fēng)雨耦合作用的方法主要包括現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)、物理試驗(yàn)和數(shù)值仿真。1991年Choi[2]利用CFD技術(shù)基于雷諾平均法得到了三維穩(wěn)態(tài)風(fēng)場(chǎng)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(fēng)場(chǎng)下建筑迎風(fēng)面的雨滴及荷載分布規(guī)律，并探究了風(fēng)向角對(duì)風(fēng)驅(qū)雨量的影響。2016年，王輝等[4]利用歐拉多相流的方法對(duì)下?lián)舯┝鞯娘L(fēng)驅(qū)雨進(jìn)行了研究，得出不同工況下建筑表面風(fēng)雨共同作用下的荷載并與風(fēng)荷載進(jìn)行了對(duì)比。本文基于沖擊射流模型，采用數(shù)值模擬的方法對(duì)下?lián)舯┝鞯娘L(fēng)雨場(chǎng)進(jìn)行模擬。對(duì)下?lián)舯┝鞯娘L(fēng)剖面進(jìn)行驗(yàn)證，并研究了不同直徑的雨滴在風(fēng)的驅(qū)動(dòng)力下沿徑向擴(kuò)散的距離。

1 數(shù)值模擬

1.1 風(fēng)驅(qū)雨數(shù)值模擬方法

以本文選用ANSYS-Fluent2019中的離散相模型進(jìn)行風(fēng)驅(qū)雨模擬。離散相模型是在拉格朗日坐標(biāo)系中通過(guò)平衡力方程來(lái)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，F(xiàn)D(u-up)為單位質(zhì)量曳力。

1.2 計(jì)算模型與參數(shù)設(shè)置

近年來(lái)大量針對(duì)下?lián)舯┝鞯难芯堪l(fā)現(xiàn)，基于沖擊射流模型對(duì)下?lián)舯┝鞯哪M與實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)吻合較好，因此，本文基于沖擊射流模型對(duì)下?lián)舯┝鬟M(jìn)行研究。參照實(shí)際微下?lián)舯┝鞯某叨冉⑾聯(lián)舯┝髂Ｐ?，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(jù)目前使用比較廣泛的雨滴譜分布規(guī)律，馬歇爾-帕爾默(Marshall-Palmer)指數(shù)分布[5]，即：N(D)=N0exp(-ΔD)。根據(jù)數(shù)量占優(yōu)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(jìn)行模擬?？紤]下?lián)舯┝鞯膶?duì)稱(chēng)性，本文選取1/4區(qū)域進(jìn)行計(jì)算。計(jì)算域二維示意圖如圖1所示。

圖1 下?lián)舯┝饔?jì)算域示意圖

本文選用SSTk-ω湍流模型進(jìn)行數(shù)值模擬。使用Simple方法對(duì)速度場(chǎng)和壓力場(chǎng)進(jìn)行求解，使用二階迎風(fēng)格式對(duì)動(dòng)量、湍動(dòng)能、湍流耗散率進(jìn)行離散。選取雨強(qiáng)I=100 mm/h。下?lián)舯┝黠L(fēng)雨場(chǎng)模擬的邊界條件見(jiàn)表1。

表1 風(fēng)驅(qū)雨模擬的邊界條件設(shè)置

1.3 模擬結(jié)果與分析

提取數(shù)值模擬結(jié)果中最大風(fēng)速所在的風(fēng)剖面對(duì)速度和高度無(wú)量綱化處理，分別用v/vmax和z/zmax表示(vmax為最大風(fēng)速，zmax表示最大風(fēng)速所在的高度)，將提取的風(fēng)剖面與下?lián)舯┝鲗?shí)測(cè)結(jié)果、風(fēng)剖面模型和物理試驗(yàn)進(jìn)行比較，從而對(duì)數(shù)值模擬的有效性進(jìn)行驗(yàn)證，對(duì)比結(jié)果如圖2所示。

圖2 下?lián)舯┝黠L(fēng)剖面對(duì)比

從圖2中可以看到，利用SSTk-ω湍流模型得到的結(jié)果與風(fēng)剖面模型、物理試驗(yàn)和實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)均能較好的吻合。

下?lián)舯┝黠L(fēng)雨場(chǎng)中不同直徑雨滴的運(yùn)動(dòng)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?lián)舯┝飨碌挠甑芜\(yùn)動(dòng)軌跡

因篇幅限制，本文只給出了三種直徑雨滴的運(yùn)動(dòng)軌跡圖。從圖3可以發(fā)現(xiàn)直徑為0.2 mm的雨滴在近地面受到下?lián)舯┝鲾U(kuò)散風(fēng)的作用下能移動(dòng)到較遠(yuǎn)的位置，最遠(yuǎn)達(dá)到距風(fēng)暴中心3Djet的位置。直徑為1 mm的雨滴最遠(yuǎn)才只能到達(dá)距風(fēng)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(méi)有沿徑向擴(kuò)散。

2 結(jié) 論

本文基于沖擊射流模型，采用數(shù)值模擬的方法對(duì)下?lián)舯┝鞯娘L(fēng)雨場(chǎng)進(jìn)行模擬。發(fā)現(xiàn)利用SSTk-ω湍流模型得到的風(fēng)剖面與風(fēng)剖面模型、物理試驗(yàn)和實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)均能較好的吻合。通過(guò)對(duì)比下?lián)舯┝黠L(fēng)雨場(chǎng)中不同直徑雨滴的運(yùn)動(dòng)軌跡，發(fā)現(xiàn)在雨滴沿水平方向的擴(kuò)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(yuǎn)能達(dá)到距風(fēng)暴中心3Djet的位置。直徑為3.5 mm的雨滴最遠(yuǎn)只能達(dá)到距風(fēng)暴中心0.7Djet的位置。

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