劉志文 陳以榮 辛亞兵 陳政清

摘 ? 要：針對下?lián)舯┝鞣€(wěn)態(tài)風場模擬問題，基于計算流體動力學方法（Computational Fluid Dynamics，CFD），首先分別采用二維、三維沖擊射流模型對下?lián)舯┝黠L場進行數(shù)值模擬，對下?lián)舯┝黠L場特性進行研究. 在此基礎上，根據(jù)下?lián)舯┝鲗蛄航Y構作用主要受水平風速影響的特點，采用二維數(shù)值模擬方法對邊界層風洞中設置傾斜平板模擬下?lián)舯┝魉斤L速風場進行了研究. 最后，設計并加工了邊界層風洞下?lián)舯┝魉斤L速模擬試驗裝置，在邊界層風洞中進行了下?lián)舯┝魉斤L速風場模擬試驗，并將數(shù)值模擬結果與試驗結果和已有文獻結果進行了比較. 結果表明：下?lián)舯┝黠L場的二維沖擊射流模型模擬結果與三維沖擊射流模型模擬結果吻合較好，即二維沖擊射流模型是一種有效的下?lián)舯┝黠L場簡化模擬方法;在邊界層風洞中設置傾斜平板所模擬的下?lián)舯┝魉斤L速風場數(shù)值模擬結果和風洞試驗結果具有較好的一致性，并與沖擊射流模型數(shù)值模擬結果和現(xiàn)場實測結果均吻合較好，即在邊界層風洞中設置傾斜平板可模擬下?lián)舯┝魉斤L速穩(wěn)態(tài)風場特性.

關鍵詞：下?lián)舯┝?水平風速風場模擬;沖擊射流模型;傾斜平板;數(shù)值模擬;風洞試驗

中圖分類號：U441.2 ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?文獻標志碼：A

Abstract：For the problems of downburst steady wind field simulation， based on Computational Fluid Dynamic （CFD） methods， firstly， 2-dimensional （2-D） and 3-dimensional （3-D） impinging jet models were used to simulate the downburst wind field， and the characteristics of downburst wind field were studied. On this basis， according to the characteristics that the effect of downburst on bridge structures is mainly affected by the horizontal wind speed， the horizontal wind field of downburst in Boundary Layer Wind Tunnel （BLWT） with inclined plate was studied by using 2-D numerical simulation method. Finally， the horizontal wind filed simulation experimental device of the downburst in the BLWT was designed and manufactured， and the horizontal wind field simulation experiment of the downburst was carried out in the BLWT. The numerical simulation results were compared with the experimental results in this study and the results from the existing literature. The comparison results ?show that the simulation results of the 2-D impinging jet model for the downburst wind field are in good agreement with that of the 3-D impinging jet model， that is， the 2-D impinging jet model is an effective simplified simulation method for the downburst wind field. The numerical simulation results of the horizontal wind speed and wind field of the downburst simulated by setting up the inclined plate in the BLWT are in good agreement with the wind tunnel test results， and are in good agreement with the numerical simulation results of impinging jet model and the field measured results， that is， the characteristics of steady horizontal wind filed of downburst flow can be simulated by setting an inclined plate in BLWT.

Key words：downburst;horizontal wind field simulation;impinging jet model;inclined plate;numerical simulation;wind tunnel test

下?lián)舯┝魇侵咐妆┰浦芯植啃缘膹娤鲁翚饬鳑_擊地面后，沿徑向產生的直線型水平風速，最大風速可達240 km/h（約為66.7 m/s）. 根據(jù)下?lián)舯┝饔绊懙姆秶譃槲⑾聯(lián)舯┝鳎ò霃叫∮? km）和宏下?lián)舯┝鳎ò霃酱笥? km），下?lián)舯┝骶哂型话l(fā)性，且風速變化劇烈. 下?lián)舯┝鲿旊娋€塔、建筑結構等產生破壞. 已有統(tǒng)計表明83%的輸電線塔系統(tǒng)破壞事故是由于下?lián)舯┝饕鸬? 近年來研究表明，美國和歐洲大部分地區(qū)結構風荷載控制值是由雷暴風確定[1-2].

Letchford和Lombardo建議在結構設計規(guī)范中考慮下?lián)舯┝髯饔肹3].下?lián)舯┝黠L特性研究主要包括現(xiàn)場實測、試驗模擬和數(shù)值模擬研究等. Fujita與Mccarthy等[4-5] 學者在20世紀80年代通過現(xiàn)場實測發(fā)現(xiàn)并定義了下?lián)舯┝?，即強下沉氣流引起的近地面強風，并總結了一系列下?lián)舯┝髁鲌鎏攸c.由于下?lián)舯┝靼l(fā)生時間和發(fā)生地點隨機性較強，生命周期短，覆蓋范圍小等特點，現(xiàn)場實測難度較大.

Hjelmfelt[6]通過總結宏下?lián)舯┝鲗崪y數(shù)據(jù)，指出采用沖擊射流裝置可以實現(xiàn)在試驗室中模擬下?lián)舯┝髁鲌? Wood等[7]采用了連續(xù)穩(wěn)態(tài)沖擊射流模型，分別進行了數(shù)值模擬與試驗模擬，得到了下?lián)舯┝髯饔孟驴紤]地形影響的加速因子. Letchford等[8]從工程角度回顧了下?lián)舯┝餮芯?，指出采用穩(wěn)態(tài)沖擊射流模型模擬下?lián)舯┝髁鲌鰧G失下?lián)舯┝髁鲌霏h(huán)形渦與陣風峰面等動態(tài)特點. 此外，Letchford等[9]對試驗裝置進行了改進，實現(xiàn)了噴嘴的移動，研究了噴嘴固定與噴嘴移動時下?lián)舯┝鞯牧鲌鎏匦?，以及在兩種流場中的立方體塊表面壓力分布情況. Mcconville等[10]開發(fā)了一套試驗裝置，采用9組風扇來產生下沉氣流，通過8組三角形襟翼實現(xiàn)了瞬態(tài)下?lián)舯┝鞯哪M. 此外，西安大略大學開發(fā)的WindEEE風洞，是首座三維風洞實驗室，可實現(xiàn)龍卷風、下?lián)舯┝鞯确橇紤B(tài)風模擬[11]. ?Butler和Kareem[12]利用旋轉平板對穩(wěn)態(tài)下?lián)舯┝鬟M行了試驗和數(shù)值模擬. Moustafa等設計了一套多道可獨立運動并實現(xiàn)高速旋轉的斜板組成的系統(tǒng)，可以在風洞中模擬下?lián)舯┝魉斤L速風場，斜板運動方式采用CFD方法進行了優(yōu)化，風洞試驗結果表明模擬得到的下?lián)舯┝魉斤L速風場在時間和空間上與現(xiàn)場實測結果有較好的一致性[13]. 國內學者段旻等[14]進行了帶有可調節(jié)平板的穩(wěn)態(tài)下?lián)舯┝黠L洞模擬，試驗結果表明，該裝置模擬的下?lián)舯┝魉斤L速分布與經驗風剖面吻合較好.

Oseguera和Bowles，Vicory以及Li等學者基于不可壓歐拉方程并類比傳統(tǒng)邊界層經驗模型，提出了下?lián)舯┝髁鲌鼋馕瞿Ｐ停@些半經驗公式并不能捕捉到下?lián)舯┝髁鲌龇欠€(wěn)態(tài)細節(jié)特征[15-17]. CFD數(shù)值模擬由于可以獲得高分辨率的流場信息、實現(xiàn)精準的結構荷載估算，廣泛被各國學者用于下?lián)舯┝髁鲌鲅芯? Hjelemfelt等人基于微觀物理全云模型，采用數(shù)值模擬對下?lián)舯┝鬟M行了模擬;Anderson和Mason等人則采用冷源子云模型進行了模擬[18-20]. 這些學者考慮了氣象方面的影響，對于面向工程的下?lián)舯┝鲾?shù)值模擬具有參考意義，但風工程研究側重風對結構的荷載作用，此外簡化模型也有利于工程應用. Selvam與Holmes采用了二維沖擊射流模擬計算域并考慮了地形影響，研究了當下?lián)舯┝髁鲌鐾ㄟ^小山時，流場風速增加情況[21]. 汪之松等采用大渦數(shù)值模擬方法，考慮山脈地形影響建立了二維以及三維沖擊射流模型，分析了山脈高度、間距等地貌因素對下?lián)舯┝黠L場的影響[22]. Sengupta和Sarkar[23]采用了數(shù)值和試驗方法，對下?lián)舯┝鲾?shù)值模擬的湍流模型、計算域和邊界條件進行了深入研究. Kim與Hangan采用二維沖擊射流模型計算域，并選用RSM（Reynolds stress model） 湍流模型計算得到了下?lián)舯┝鞣嵌ǔＡ鲌?，研究了下?lián)舯┝麝囷L峰面特點以及流場的雷諾數(shù)相關性問題[24]. Mason等[25]則認為SST （Shear Stressed Transport） 湍流模型在沖擊射流的模擬中表現(xiàn)良好. Chay[26]等對多組不同直徑和不同下沉氣流速度的下?lián)舯┝黠L場進行了數(shù)值模擬. 結果表明，沖擊射流數(shù)值模擬方法在模擬突發(fā)風場時存在一些問題，但仍然是一種有效的下?lián)舯┝黠L場模擬方法[26]. 鐘永力等[27]基于CFD方法，采用水平平板建立了二維平面壁面射流模型，并模擬了下?lián)舯┝魉斤L速豎向風剖面，數(shù)值模擬結果與下?lián)舯┝魉斤L速經驗風剖面和已有的沖擊射流模型試驗結果吻合較好.

在研究下?lián)舯┝黠L場對橋梁結構作用方面，Hao與Wu[28]利用滑移網格實現(xiàn)了沖擊射流模型下三維移動下?lián)舯┝髁鲌瞿M，并基于有限元CSD方法對大跨度懸索橋進行了結構動力響應分析.

綜上所述，現(xiàn)有研究表明沖擊射流模型的數(shù)值模擬和試驗模擬是研究下?lián)舯┝黠L場的重要方法. 然而，沖擊射流模型通常由于噴嘴直徑較小，形成的風場范圍較小，導致結構試驗模型較小，比較適合建筑結構下?lián)舯┝黠L效應研究. 采用WindEEE專用風洞進行下?lián)舯┝黠L對結構作用效應研究則費用相對較大. 考慮到下?lián)舯┝鲗蛄航Y構的影響主要取決于其水平風，下?lián)舯┝髫Q向風速對橋梁結構產生的豎向風荷載效應可以忽略，而由此導致的攻角效應則可通過改變橋梁主梁斷面初始攻角來考慮. 在傳統(tǒng)大氣邊界層風洞中進行下?lián)舯┝黠L場水平風速模擬對橋梁結構下?lián)舯┝黠L效應研究具有十分重要的意義.

本文擬在大氣邊界層風洞中模擬下?lián)舯┝魉斤L速特性，為橋梁結構下?lián)舯┝黠L效應試驗研究奠定基礎. 首先采用二維、三維沖擊射流模型進行下?lián)舯┝黠L特性數(shù)值模擬研究，以進一步了解下?lián)舯┝黠L場特性;在此基礎上，在邊界層風洞中設置傾斜平板對下?lián)舯┝魉椒较蝻L場進行數(shù)值模擬和風洞試驗研究.

1 ? 下?lián)舯┝鞫S沖擊射流模型模擬

參考湖南大學2號邊界層風洞第二試驗段幾何尺寸確定計算域，傾斜平板中心距離速度入口4.61 m，可通過調節(jié)平板傾角α實現(xiàn)下?lián)舯┝魉斤L速豎向風剖面模擬，分別在距離傾斜平板中心d = 3.5 m、4 m、5 m、6 m處設置風速監(jiān)控點，以分析不同位置處的水平風速豎向風剖面，計算域如圖13所示. 計算域邊界條件設置如下：計算域左側為速度入口邊界（Velocity inlet），來流風速為10 m/s;計算域右側為壓力出口邊界（Pressure outlet）;計算域上、下側以及下傾斜平板為無滑移壁面邊界（Wall）.

采用分塊結構化網格進行網格劃分，為方便傾斜平板角度調整，以傾斜平板中心為圓心建立O型網格，網格各方向增長率均小于1.2，網格總數(shù)為227 484，網格示意圖如圖14所示. 劃分網格時，以計算域形心位置為坐標原點，傾斜平板壁面y+分布如圖15所示.

3.2 ? 計算結果

綜合考慮，分別采用大渦模擬（LES）和剪應力輸送SST k-ω湍流模型進行邊界層風洞下?lián)舯┝黠L場水平風速豎向風剖面數(shù)值模擬. 時間、空間離散采用二階迎風格式，速度-壓力耦合采用SIMPLEC算法求解，此外動量、湍動能、湍能耗散率和雷諾應力均采用二階格式進行離散，計算時間步長為0.000 5 s.

為便于比較，將數(shù)值模擬結果進行時均處理，并將結果按最大風速以及其對應高度進行歸一化處理. 圖16所示分別為d = 4 m、d = 5 m及傾角分別為α = 41°、α = 49°數(shù)值模擬結果. 由圖16可知，傾角α = 41° ～ 49°、d = 4 ～ 5 m范圍時，大渦模擬計算結果與實測結果總體吻合較好. 總體而言，當傾斜平板傾角合適時可實現(xiàn)下?lián)舯┝鞣€(wěn)態(tài)風場水平風速豎向風剖面模擬.

Oseguera和Bowles，Vicory以及Li等[15-17]學者根據(jù)現(xiàn)場實測數(shù)據(jù)建立了下?lián)舯┝魉椒较蜇Q向風剖面解析模型. 圖17所示為本文數(shù)值模擬結果（SST ?k-ω湍流模型，α = 41°，d = 4 m）與上述解析模型比較. 由圖17可知，實際下?lián)舯┝黠L場水平風速豎向風剖面最大風速位置距離地面為h = 70 ～ 80 m左右，此外，Hjelmfelt[6]根據(jù)JAWS實測數(shù)據(jù)總結了典型下?lián)舯┝黠L剖面，其中水平風速風剖面最大風速位置距離地面高度h = 80 m. 綜合考慮，本文后續(xù)計算取h = 70 m. 根據(jù)實際下?lián)舯┝黠L場最大水平風速距離地面的位置h和邊界層風洞中模擬的最大水平風速距離風洞地面的位置h0，可以得到下?lián)舯┝魉斤L速風場幾何縮尺比為：

由于傾斜平板角度α以及風速監(jiān)測點距離傾斜平板中心d不同時，形成的豎向風剖面最大風速位置距離計算域下側的h0不一樣. 將部分數(shù)值模擬結果的風場縮尺比計算結果列于表2中. 由表2可知，傾角值α與監(jiān)測點距離d越大，最大風速位置h0增大，風場幾何縮尺比λL也隨之增大.

4 ? 邊界層風洞下?lián)舯┝鞣€(wěn)態(tài)風場試驗模擬

4.1 ? 試驗裝置

根據(jù)邊界層風洞傾斜平板下?lián)舯┝魉斤L速豎向風剖面模擬數(shù)值模擬結果，結合下?lián)舯┝鞣€(wěn)態(tài)流場特點，設計了邊界層風洞下?lián)舯┝魉斤L速豎向風剖面模擬試驗裝置，以實現(xiàn)下?lián)舯┝魉斤L速豎向風剖面以及時變特性模擬. 試驗裝置如圖18所示，該裝置主要組成部分為：支撐架、傾斜平板、豎向對稱檔板、伺服電機和控制系統(tǒng). 傾斜平板可實現(xiàn)水平風速豎向風剖面模擬，由控制系統(tǒng)控制的伺服電機可驅動兩側豎向對稱擋風板快速轉動，可實現(xiàn)下?lián)舯┝魉斤L速的時變特性模擬. 為了測量不同高度處風速，研制了一套專用風速測量裝置. 通過伺服電機控制，眼鏡蛇風速儀可沿豎向方便移動，實現(xiàn)風速的快速測量，眼鏡蛇風速儀采樣頻率為321.5 Hz. 圖19所示為置于風洞中的下?lián)舯┝魉斤L速豎向風剖面模擬裝置照片.

4.2 ? 試驗結果

試驗時，通過不斷調試傾斜平板的位置、傾角α以及風速測試位置距離平板中心d的位置獲得最佳風剖面. 圖20給出了d = 3 m、傾角α分別為49°、60°和66°的試驗結果. 由圖20可知，當測試斷面距離為3 m時，傾角α為66°時風洞試驗結果比傾角α為49°和60°更接近于現(xiàn)場實測結果，因此固定傾斜平板角度為66°，調節(jié)風速測量裝置距傾斜平板的距離，以獲得最佳距離d.

圖21分別顯示了平板傾斜角度為66°時，不同監(jiān)測位置水平風速豎向風剖面試驗結果. 從圖21可以看出，當傾斜平板的角度為66°時，d = 3.5 m和4.0 m風洞試驗結果與現(xiàn)場實測結果吻合較好. 綜合圖16和圖21可知，下?lián)舯┝魉斤L速剖面數(shù)值模擬結果與試驗結果存在一定的差異，可能是由于風洞試驗中下?lián)舯┝髂M裝置支架的干擾效應引起.

表3給出了不同傾角α及監(jiān)測點距離d處水平風速風剖面最大風速位置h0和風場幾何縮尺比λL. 由表3可知，試驗結果趨勢與數(shù)值模擬結果總體一致，即當d值不變時，隨著傾角α的增大，風場幾何縮尺比λL增大.

此外，由于本文僅采用一塊傾斜平板進行試驗模擬，由圖21可知在風剖面最大風速位置以上試驗結果與現(xiàn)場實測結果吻合效果不理想，考慮到本文試驗裝置模擬的最佳下?lián)舯┝黠L場幾何縮尺比大約為λL = 1 ∶ 200對應的最大水平風速距離風洞底部約為h0 = 0.5 m，故當實際結構高度約為100 m以內時可采用本文方法進行相關試驗研究.

5 ? 結 ? 論

分別采用二維、三維沖擊射流模型對下?lián)舯┝黠L場進行了數(shù)值模擬，對下?lián)舯┝黠L特性進行了研究;在此基礎上分別進行了邊界層風洞下?lián)舯┝魉斤L速數(shù)值模擬和風洞試驗研究，實現(xiàn)了下?lián)舯┝魉斤L速模擬，得到如下主要結論：

1）下?lián)舯┝黠L場二維、三維沖擊射流模型數(shù)值模擬結果與現(xiàn)場實測結果吻合較好，且二維沖擊射流模型數(shù)值模擬結果與三維沖擊射流模型數(shù)值模擬結果吻合較好.

2）邊界層風洞中設置傾斜平板數(shù)值模擬結果表明：在擋板角度α、風速監(jiān)測位置與傾斜平板中心距離d合適時，形成的水平風速豎向風剖面與下?lián)舯┝魉斤L速豎向風剖面實測值吻合較好，為試驗模擬裝置設計提供了依據(jù).

3）邊界層風洞中設置傾斜平板風洞試驗結果表明：下?lián)舯┝髂M試驗裝置在邊界層風洞中可實現(xiàn)下?lián)舯┝魉斤L速豎向風剖面模擬，為橋梁結構下?lián)舯┝魉斤L速效應研究奠定了基礎.

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