龙卷风对低矮建筑破坏机理研究

摘要:针对盐城市阜宁县发生的龙卷风进行数值仿真，初步探讨低矮建筑发生倒塌破坏的力学机理。采用数值仿真的方法研究低矮建筑周围的龙卷风场，通过风场的情况推断建筑破坏情况。主要对龙卷风进行数值仿真，分析流场的压力、流速和湍流特征沿径向和高度方向的分布特征，对单一低矮建筑和低矮建筑群周围的龙卷风场进行计算，分析造成低矮建筑破坏的因素和机理。结果表明，龙卷风内部压强下降至0．8个大气压，在龙卷风核心区形成了很大负压荷载;低矮房屋受风速冲击的前后两侧存在方向相反的较大垂向风速，是造成房屋碎片向上飞扬的主要因素。

关键词:龙卷风模拟；极端风载荷；低矮建筑

1概述

2016年6月23日，盐城阜宁发生了级别为EF4的龙卷风，其速度最高达到了73m/s以上，该龙卷风对包括阜宁板湖镇在内的7个镇区22个村(居)的建筑造成了巨大的破坏、人员伤亡和财产损失。气象观测表明，6月23号下午，副热带高压北抬到江苏沿江附近，苏北大部在副高北侧西南急流中，地面在暖低压倒槽中，湿热异常，露点温度超过28℃，达到广东沿海的水准，大气能量极为充沛;同时东北冷涡也在行动，它从高空甩下来的一小股干冷空气侵入西南湿热气流中，诱发出强度惊人的超级单体，并最终导致极端龙卷风的诞生。此次盐城阜宁的龙卷风发生的过程与中气旋的理论较为符合，角动量守恒原理和气体自由涡理论并不能解释气流从上向下发展的过程，也难以解释龙卷风蕴含巨大能量的事实。然而，现有资料很难重现龙卷风发生时对建筑及周围环境的损坏过程，本文采用龙卷风流体动力学仿真，再次重现出龙卷风发生时的流场状况，并通过流场分析初步揭示了低矮建筑在龙卷风中的破坏机理。

2龙卷风风场的数学建模

本文龙卷风发生的物理模型采用自然状态的龙卷风模型［1］，包括入口风嘴、入流区域和出流区域三个部分。具体为:入口数量16个，入口宽度5m，入口高度200m，出流区域为100m，出流半径为50m;风速入射角为60°，入口风速为20m/s，湍流度和耗散率用大气湍流公式进行计算;采用四面体网格对计算域进行划分，计算网格430万个(如图1所示)。边界条件设置:1)入口定义为速度入口，风速吹入方向与入口边界垂直，且不随高度发生变化;2)出口为出流边界条件，保证入口和出口质量差小于0．5%;3)地面认为是无滑移边界条件，定义为壁面;4)模型内部的连续性类型定义为流体。在已有的模拟中，湍流模型曾选用SST模型［2］、RNGk-ε模型［3］、雷诺应力模型和大涡模拟［4］，本文选用雷诺应力模型，此模型已被证明与大涡模拟精度相当［4］，计算采用SIMPLEC算法，压强松弛因子采用0．8，动量采用二阶迎风格式。计算在3000左右稳定，故取3000步的计算结果进行分析。

3龙卷风风场分析结果及讨论

3．1阜宁龙卷风规模

龙卷风模拟结果显示(见图2)，龙卷风最大风速为75m/s，与观测结果相符;最大风速对应的直径约为50m，且在80m以下没有明显变化，在100m直径的龙卷风范围内风速超过35m/s。在核心区，龙卷风风速只有每秒几米的量级，接近为0。在50m以内，龙卷风近似随半径线性增大，而在50m以外则基本与半径成反比关系。

3．2龙卷风压强分布和垂向风速

由图3可知，从龙卷风至核心，压强逐渐下降，压强梯度近似与半径成反比，在核心区压强下降至0．8个大气压，在龙卷风核心区形成了很大负压荷载。此外，计算结果表明，龙卷风经过区域具有强烈的上升气流，最大风速所在的环形区域垂向风速达到最大，且此处的垂向风速随高度增大而增大，在80m处可达10m/s。这一垂向风速是建筑碎屑、尘土和重物被龙卷风卷上高空的主要原因。

3．3近地面龙卷风湍流特征

由图4可知，龙卷风发生时地表面附近(3m以下)的湍动能、湍流强度及耗散率均达到最大，这些量随高度的增加而迅速减小，如5m处的湍动能为3m处的1/3，为1m处的1/7;而5m处的湍流耗散率仅为3m高度的1/5，为1m处的1/30。由于地表的摩擦作用，近地面的湍流生成率也仅限于3m以下，5m以上基本为0。垂向风速的脉动强度也表现为随高度增加迅速衰减的趋势。

4龙卷风对低矮建筑的破坏机理

下面来分析龙卷风风场对低矮建筑房屋的破坏作用，首先分析龙卷风对单一建筑房屋的影响。在前述龙卷风风场中添加建筑房屋模型，为了简化计算，本文采用长方体代表房屋，房屋长8m，宽6m，高3m，屋顶坡度30°，位置为距离龙卷风中心25m处，即处在最大风速处。计算结果表明，房屋侧向迎风面上受正压(见图5a))，单位面积受力为28kN，表明龙卷风冲击力可能是导致建筑墙面倒塌的原因。其次，屋面两侧垂向流速差异明显(见图5b))，表明绕流导致气流冲击屋顶侧产生了强烈的垂向风速(大于20m/s)，可导致屋面构件破坏并使碎片飞离屋面，部分飞向高空，另一部分则飞向房屋背风侧。为了研究龙卷风对低矮建筑群的破坏机理，我们对低矮建筑群周围的流场进行了模拟(见图6)，并据此推断建筑群中的房屋破坏。在CFD模型中，沿x和z方向2倍核心半径(25m)的矩形设置为建筑区域，共15个房屋，房屋:8m×6m×3m，屋顶坡度30°。计算结果表明，房屋位置不同，造成气流冲击建筑的角度不同，从而造成建筑群中建筑屋顶的压强和流速分布的差异，如图7所示。一般来说，龙卷风核心区内，存在着压差达0．1个大气压的负压(见图7a))，核心区外部负压对屋顶破坏影响相对较小。而垂向风速的分布规律是迎风侧具有显著的正向气流，背风侧存在显著的下沉气流，这与单一房屋的结果相符。计算结果表明，龙卷风核心区内存在很强的垂向气流和垂向风速脉动(见图8)，核心区外的房屋屋角处仍存在很大的垂向气流，可能是核心区外部建筑破坏的一个重要原因。

5结语

根据本次龙卷风模拟，可以猜测:1)龙卷风内部的负压是造成建筑门窗破碎原因;2)近地面强烈的湍动能、垂向脉动强度将造成房舍等发生振荡破坏，且建筑碎屑四处飞溅;3)显著的垂向气流将造成大质量物体或碎屑飞上高空或抛向离建筑较远的地方。因此，在建筑的屋顶设计时，应考虑采用不易碎的材料作为屋面材料，且最好应进行防爆泄压设计。

参考文献:

［1］王新．运动龙卷风冲击高层建筑［D］．合肥:中国科学技术大学硕士论文，2015．

［2］刘道永，吕令毅．考虑龙卷风作用方位效应的矩形结构屋面风压分布研究［J］．工程建设，2016，48(3):6-12．

［3］唐飞燕，汤卓，吕令毅．龙卷风场中沙粒对结构冲击作用的研究［J］．工程建设，2013，45(3):19-23．

［4］潘玉伟．龙卷风风场与结构风荷载CFD数值模拟［D］．哈尔滨:哈尔滨工业大学硕士论文，2013．

作者：张静 红荀勇 单位：盐城工学院土木工程学院