下?lián)舯┝鞯涂诊L(fēng)切變數(shù)值模擬

陳宇鋇，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

低空風(fēng)切變是指600 m以下空氣層中風(fēng)向和風(fēng)速突然發(fā)生變化的現(xiàn)象。由于下?lián)舯┝鞯男纬珊桶l(fā)展過程，下?lián)舯┝黠L(fēng)場中存在著很強(qiáng)的三維風(fēng)切變，在中心處存在很強(qiáng)的下沖氣流，在某些位置風(fēng)速甚至?xí)l(fā)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(jī)穿越下?lián)舯┝髁鲌鰰r的進(jìn)場著陸特性，結(jié)果顯示飛機(jī)穿越下?lián)舯┝鲿r所受到的影響與飛機(jī)所處高度有著很大的關(guān)系;鄒鑫等[2]利用固定的沖擊射流裝置模擬了穩(wěn)態(tài)的雷暴沖擊風(fēng)風(fēng)場，通過調(diào)整建筑模型在風(fēng)場中的位置，得到了距離下?lián)舯┝髦行牟煌恢锰幐邔咏ㄖ娘L(fēng)荷載響應(yīng)特點。熊興隆等[3]利用CFD(Computational Fluid Dynamics)的方法深入研究了低空風(fēng)切變的形成機(jī)理和地貌因素對低空風(fēng)切變的影響。本文使用Gambit軟件，基于沖擊射流模型模擬出下?lián)舯┝骺s尺風(fēng)場，利用商業(yè)CFD軟件Fluent完成下?lián)舯┝黠L(fēng)場的模擬，通過分析下?lián)舯┝黠L(fēng)場中的速度變化來研究下?lián)舯┝饕鸬牡涂诊L(fēng)切變的發(fā)展特點。

1 模型建立

1.1 下?lián)舯┝黠L(fēng)場

按照1∶19.13的縮尺比，網(wǎng)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(yù)估y+值為120。總網(wǎng)格數(shù)約為360萬。圖1為所建下?lián)舯┝黠L(fēng)場網(wǎng)格。

圖1 下?lián)舯┝黠L(fēng)場網(wǎng)格

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

邊界類型邊界條件速度入口湍流強(qiáng)度1%,水力直徑30 m壓力出口湍流強(qiáng)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(yīng)力壁面采用標(biāo)準(zhǔn)壁面處理

1.2 數(shù)值模擬

數(shù)值模擬所得下?lián)舯┝黠L(fēng)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?lián)舯┝鞯乃俣确植己统Ｒ?guī)風(fēng)相比有很大不同。在下?lián)舯┝髦袇^(qū)域，速度豎直向下，在入流口處存在最大速度。在、隨著距離下?lián)舯┝髦行木嚯x的增加，近地面出水平風(fēng)速開始發(fā)展，發(fā)展到最大值后迅速衰減。

以下?lián)舯┝黠L(fēng)場中(-17,17)為起點、(40,0)為終點的一條線上的風(fēng)切變發(fā)展情況如圖3所示。

圖3 三向速度變化

圖3中，橫坐標(biāo)為距離下?lián)舯┝黠L(fēng)場的距離，縱坐標(biāo)為某點處速度和入流速度的比值。從圖3更直觀地看到下?lián)舯┝黠L(fēng)場中速度的變化。在X=40 m處，橫向的水平風(fēng)速最大，是入流速度的80%。側(cè)向風(fēng)速也是該路線上的最大值，是入流速度的20%。豎向風(fēng)速最小，和入流速度的比值為0左右。隨著離下?lián)舯┝黠L(fēng)場中心距離的拉近，橫向風(fēng)速迅速減小，豎向風(fēng)速迅速增加，側(cè)向風(fēng)速整體變化不大，這是由于該路線位于對稱面處。當(dāng)在X=-17 m處(即下?lián)舯┝髦行奶?，豎向風(fēng)速達(dá)到最大值，是入流風(fēng)速的90%，橫向風(fēng)達(dá)到最小值，和入流速度的比值為0左右，側(cè)向風(fēng)速也達(dá)到最小值，是入流速度的10%左右。

綜上，下?lián)舯┝黠L(fēng)場中速度變化很大。在下?lián)舯┝髦行奶?，豎向風(fēng)速最大，橫向和側(cè)向風(fēng)速很小，當(dāng)距離下?lián)舯┝髦行牡木嚯x加大，豎向風(fēng)速迅速減小，橫向和側(cè)向風(fēng)速迅速發(fā)展，從而形成很強(qiáng)的低空風(fēng)切變。

2 結(jié) 論

從數(shù)值模擬的結(jié)果可以看到，下?lián)舯┝黠L(fēng)場中的速度會隨著距離下?lián)舯┝黠L(fēng)場的距離發(fā)生很大的變化。在下?lián)舯┝髦行奶帲Q向風(fēng)速最大，橫向風(fēng)速和側(cè)向風(fēng)速幾乎為零；隨著距離下?lián)舯┝髦行木嚯x的增大，豎向風(fēng)速迅速減小，橫向風(fēng)速和側(cè)向風(fēng)速得到發(fā)展，形成很強(qiáng)的低空風(fēng)切變。

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