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在龙卷风和微下击暴流中建筑物的瞬态风荷载

Anindya森古普塔弗雷德，L.阿里汉，帕萨·萨卡P.，Vasanth Balaramudu

土木与环境工程学院，夏威夷大学马诺分校系2540多尔街，福尔摩斯会馆383，檀香山，HI96822，美国

航空航天工程学院，爱荷华州立大学，2271豪厅，1200室，艾姆斯，IA50011，美国

2008年在4月15日线提供

摘要：

本论文介绍了微下击暴流和龙卷风对立方体建筑的准稳态和瞬态风荷载效应。大涡模拟（LES）被用来模拟微下击暴流的负载效应，具体做法是用直径0.20m喷嘴来对边长25mm的立方体产生四个不同方向的平移速度。数值模拟的结果与实验室微暴模拟器数据进行了比较。数值模拟预测了阻力随着微暴平移速度增加而增大。移动龙卷风作用在边长229毫米立方体上的瞬态负载的影响也被针对对两种不同涡流核心直径以及两个平移速度在实验室中进行了模拟，此外也研究了峰值载荷。立方体建筑的结果被拿来与相同载荷条件下的高层建筑进行了比较。最后，在这项研究中测得的峰值负载和峰值时刻被用来与ASCE7-05标准中的相应值进行了比较 [2006.建筑物及其他构筑物的最小设计荷载，2006.ASCE标准，SEI/ ASCE7-05，美国土木工程师学会]，并发现对于位于美国龙卷风通道而经常遭受F2或更高的龙卷风强度的的建筑，结果以1.5以上的倍数超过了标准值。

关键词：微下击暴流;龙卷风;LES;峰值负荷;瞬态效应;立方大厦

第1章 简介

用低速边界层风洞来产生直线风这种方法来发展建筑物和其他结构的设计风荷载已经被使用了很长一段时间。然而，一些极端的风活动如雷暴、微下击暴流龙卷风产生的速度场，与常规大气边界层型活动产生的相去甚远。本论文介绍了微下击暴流（包括数值模拟和实验）和龙卷风（实验）流场的模拟中对立方建筑模型的测量方法。这些测量方法与用ASCE 7-05（2006）规定的预测风荷载预测出的力，以及与用在相同的龙卷风流场作用下的一座高楼测得的结果进行了比较。本文简要介绍了这些类型的模拟。

1.1．微下击暴流的评论

微下击暴发生于雷暴天气，在这样的天气中，由于微物理过程的作用，沉淀物的重量和冷却作用使向下气流加速。它们由以下因素决定：下降气流在接近水平地面的时候被强制沿水平方向扩展，此时产生的强大的本地向下气流和表面附近的强风的爆发。Selvam和Holmes（1992年）开展了雷暴下沉气流现象的数值模型模拟，并且能够证明数值模型和有限的足尺数据之间相互符合。后来，Holmes（1999年），Letchford和Illidge（1999）以及Sengupta和Sarkar（2006年）进行墙壁喷射的物理模型研究并再次发现了数值模型、物理模型和喷射出口流速剖面图的足尺观察结果是合理相符的。下面的等式给出了正如他们所测量并且用Wood et al.（2001年）的建议形式写出的水平速度的标准剖面图。

(1)

其中，，; 是从地面起算的高程; 中的在喷嘴出口区域的射流直径；为在处的水平速度；为在特定位置的最大水平速度; 是在处的地面高程。的范围而提出的经验廓线是有效的，为 。Lin和Savory（2006年）以及Kim和Chang（2007年）对微下击暴流出流特征进行了研究。对物理和数值模拟下击暴流以研究其上建筑物比例模型的工作已经被Letchford和Chay（2002年），Nicholls等人、（1993），Sengupta等人（2006年）以及Sengupta和Sarkar（2007年）进行了。

1.2.回顾龙卷风

龙卷风是一种漩涡，其在核心区域有显著的旋转速度，其带有沿垂直和径向方向速度分量。因此，龙卷风流场也与直线边界层风非常不同。许多实验室模拟设计都是基于Ward（1972年）的开拓性工作。随后基于Ward模型的努力发生在在美国普渡大学（Church等，1979年），俄克拉​​何马大学（Jischke和Light，1983年）和Davies -Jones（1976年），其采用各种手段提高实验室模拟和足尺寸龙卷风事件之间的相似性。这些实验室模拟的目的是对龙卷风涡流本身有更深入的了解。然而，因为其成本和通用性，数值模拟已经超过物理模拟成为龙卷风旋涡研究的首选工具。虽然实验室和数值模拟两者的努力都揭示了大量有关龙卷风的结构（Lewellen，1993年），以研究龙卷风为目的进行的龙卷风物理模拟却可能不再现实。然而，为了量化龙卷风作用在结构上的风荷载，物理模拟是必要的，因为流体-结构的相互作用研究包括了其所涉及的内在复杂性。

Chang（1971年），Jischke和Light（1983年），Bienkiewicz和Dudhia（1993）和Mishra（2005年）等人修改了基本的Ward设计并且测试了小型建筑模型。这些发现意味着龙卷风涡流的平均表面压力3-5倍显著高于直线边界层气流。Selvam和Millet（2003年）利用大涡模拟（LES）也报告了同样的结果。这表明在估计龙卷风在结构上作用的风荷载时，使用传统的有着龙卷风的风速的风洞进行测试是不够的。Sarkar等人 （2006年）最近进行实验室龙卷风模拟以研究其对高层建筑的影响。

1.3.目前的工作

目前的工作的主要目标是用实验室模拟器模拟典型的龙卷风和微下击暴流场，以此测量在流场内作用在立方体建筑模型上的气动载荷，并将这些载荷与ASCE 7-05（2006）的规定进行比较。数值模拟和实验设备在模拟的结果和讨论完毕之后再进行讨论。

第2章 数值模拟

在LES中，控制方程源于筛选具有时间依赖性的Navier-Stokes方程。尺度比过滤器宽度或网格间距小的漩涡就被过滤掉了。之前的过滤操作产生的亚网格尺度应力需要建模来解决。采用Boussinesq假说，亚网格尺度应力由下面公式计算

(2)

这里是由下式定义的解析尺度下的的应变率张量

(3)

是指亚网格尺度（SGS）涡粘性。对于的计算，使用了动态Smagorinsky-Lilly模型（Sengupta和Sarkar，2006）。涡粘度以为数学模型，其中Ls是亚网格尺度和的混合长度。然后用来计算，其中为冯卡曼常数，d为最接近壁面的距离，Cs是Smagorinsky常数，而V是计算区间的体积。 Cs是基于解析尺度下的运动和大范围的时间与空间的变化所提供的信息来进行动态计算的。

LES中，有界中心差分格式被用于对流项，而隐式算法被用于时间离散。PISO算法用于压力速度耦合计算。模拟过程中使用2GB内存双核英特尔至强处理器，安装了Red Hat Linux操作系统的PC来运行Fluent软件（2005年）。数值模拟的有效性用不同的网格尺寸以及时间步长来进行检查。对于LES模拟，约200万个区间被用于移动喷射模拟。射流喷嘴用滑移网格模拟方法以四个不同的水平速度（VT）移动，分别为0.225米/秒（S1），0.5米/秒（S2），1米/秒（S3）和2米/秒（S4）。喷射通过改变x的值（在数值模拟中其变化范围为）来完成水平方向上的移动。所有其它参数作为实验设定均为相同的，这在下一节有描述。图1表示的是应用LES的滑移网格中移动喷射模拟所采用的网格和边界条件。数值域被分成两个独立的区域，其中区域一由有着环绕式箱形域的建筑模型组成，区域二包括通过该空气出口喷射的喷嘴。这两个区域的区间由形成网格交界面的两个交界面区域所界定。喷嘴区域（区域二）的流域以相对静态区域（区域一）设定好的速度，沿着网格交界面移动。没有必要在运动过程中让节点沿着网格交界面校准，因而消除了区间的扭曲，但为了获得一个稳定的解决方案，良好的网格是必要的。

第3章 实验装置

3.1微暴模拟装置

203毫米的喷嘴直径（D）用于产生冲击射流。喷嘴随着风扇一起被移动以模拟平移微下击暴流，使用0.37ķW（0.5马力）且最高速度为0.225米/秒（S1）的车库门遥控。喷嘴到地平面或撞击平台的距离（H）在使用机械千斤顶时可以从最小值203毫米（1D）变化到最大值826毫米（4D）。对于当前的工作，H=403毫米，H/ D约为2.0，喷射速度V约为10 m/s。表面压力沿边长25.4mm（）的立方体的中心线，通常面向微下击暴流平移的方向，并用压力传感器测量。一个Scanivalve压力扫描器（DSA3217，16信道）用于同时测量稳定和波动面的压力。地面上的压力也会被测量，无论是静态和动态喷射的情况下。

3.2龙卷风模拟器

ISU实验室模拟器通过产生一个区域内强烈的上升气流模拟了龙卷风产生的雷暴，上升气流被管道内旋转的朝地平面下降的空气所围绕。这个模拟器一个最独特的功能是，它能够产生一个旋转涡流。上升气流由直径为1.83米（6英尺）安装在圆形管道内的风扇所生成，其中心与向下流动的管道是同心的（参照图2a）。风扇导管和向下流动管道被顶上的起重机停住，以便它们可以沿10.4m（34英尺）长6.1 m（20英尺）宽的地平面移动。形成的龙卷风沿地面移动，同时整个风扇/下沉气流产生装置也在平移（更完整的细节见Haan等，2008）。

涡流比是管理这种旋涡流动的一个重要参数。它是涡流环流速率与流入到漩涡的速率的比值。在本文中，涡流比是根据以下表达式计算：，其中Vymax是在最大风速的半径最大切向速度，Rc是核心的半径（即最大风速的半径），Q是通过风扇的流率（流入速率）。

气动力用1：100比例下的立方大厦模型和1：500的高层建筑模型进行测量。立方体建筑模型侧边为229mm（9英寸）；高层的建筑模型的高度H为432mm（17英寸）其方形平面边长B为108mm（4.25英寸）。模型以一个表面带有构造铝棒通过中心的薄胶合板为主要结构作为支撑。这个棒通过孔连接地平面来达到力平衡。图2展示了模型在处在龙卷风/微暴模拟器下的模型夹具中。力平衡由JR3称重传感器完成（型号30E12A-I40），它能够测量所有的三个力和三个力矩组件。高层建筑/平衡系统的固有频率用自由振动试验（约为24赫兹）来确定。数据是在500赫兹的频率下取样（准稳定情况下平均为30秒）。

测量半径为0.30m（R1）和0.53m（R2）的龙卷风涡流，对于这两种情况，它们都具有9.7m/s的最大切向速度。这两种情况下的涡流比估计分别为0.24和1.14。该模型是在测试取向正常，即分别相对于该龙卷风平移轴线（见图2b）有0度和45度角。对于这两个方向，龙卷风三种水平速度不同的情况应分开考虑，它们分别是0.61m/s（HS）（当前系统能达到的最快速度），0.30m/s（LS）以及准稳态（QS），此种情况里龙卷风是距离建筑模型特定距离产生的。

第4章 结果与讨论

每种实验情况下的微下击暴流和龙卷风平移分别对应于五次相同的测试的平均值。微暴的系数和射流出口速度Vj都被标准化。微暴的包括静态和平移状态两者的每个实验情况下，，对应于五个相同的测试的平均值。数值模拟与实验数据在对比后（Sengupta和Sarkar，2006年）表明，在已经测试了的湍流模型中（包括RANS），LES是唯一能够准确捕捉到整体压力在顶部分散状况的，尤其是在接近前缘的部分。正因如此，我们决定用LES来完成所有的平移撞击喷射模拟。

水平速度的经验廓线等式（1），由PIV和测压排管在一个静态微暴式喷射里的几个不同r/D的位置测得实验数据获得，这些数据被用来与Rajaratnam（1976年）和Wood等（2001年）以及NIMROD多普勒雷达资料的那些数据比较。比较结果是相当不错的。图3展示了经验廓线与数值模拟在r/D=1处的比较。数值结果与经验廓线吻合。该结论同样适用于其他的r/D位置。

在建筑物屋顶高度（HB）处的地面速度和在建筑物屋顶高度的一半（0.5HB）处的地面速度，是通过对不同微暴平移速度（S1-S4）进行LES（大涡模拟）后获得的，并互相进行比较。最高的平移速度产生了最高的地面速度。在0.5HB高度处地面峰值速度比在HB高度处的对应值要高。地面峰值速度幅度在0.5HB高度处从S1对应的1.4Vj变化到几乎达S4对应的2Vj，而在HB高度处从S1对应的1.2Vj变化到S4对应的1.5Vj。

图4a和4b显示了在以S1速度移动的平移微下击暴流中的边长25.4mm的立方体建筑的数值模拟和实验瞬态荷载和升力系数。由此可以看出，CFD（LES）能够预测立方体建筑的阻力和升力的整体走势，并且具有显著的准确性。也可以从中看出，在微下击暴流中，当微暴靠近建筑物顶部时，屋顶上有着显著的向下的力。这在目前的设计实践中通常是不予考虑的。

峰值力系数值，如表1，对应于CFD（LES）的各类情况（QS和S1），比实验得出的结果要小。它们被射流速度Vj标准化了。这可能是由于，对于后者的值仅基于中心线的压力进行了计算。提高平移速度显著增加风阻系数，而升力系数显示了不同的规律（如在LES结果观察到的）。由此可以看出，最高微暴平移速度（S4）下的正值，堪比产生的负峰值，这在低速状态下是观察不到的。

图5显示了沿着立方建筑物的中心线的峰值压力图和五次微暴实验均值一样。也绘有这些峰值压力的最大值和最小值。用LES进行数值确定的峰值压力往往显示相同的规律，其值也与实验结果吻合得很好。

龙卷风情形下，所有的力和力矩系数被用静态龙卷风的最大切向速度标准化，模型在平面的投影区域垂直于和龙卷风的平移方向（x），如等式（4）。和使用模型的顶面的区域而不是与前部区域来进行标准化，并且H被定义为模型的高度。

这里的和分别为力的矢量和与力矩的矢量和（在x和y方向）的系数。这个组合因流场的三维性质而对龙卷风十分重要。

图6a表示的是,一个距离有着两种不同方向（0度和45度

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