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专家解读：下击暴流移动增大效应及带协同流壁面射流模拟方法

发布于：2021-02-07 11:16:07 来自：建筑结构/水池水塔烟囱设计 [复制转发]

专家解读

本期特邀重庆大学晏致涛教授，为您解读下击暴流增大效应及带协同流壁面射流模拟方法。

下击暴流移动增大效应及带协同流壁面射流模拟方法

研究背景

下击暴流是一种在雷暴天气中由强下沉气流猛烈冲击地面形成并经由地表传播的近地面短时破坏性强风，其最大风速可达60 m/s以上，对近地面的建筑物具有极大的危害。对澳大利亚94次输电线结构破坏事故的调查表明，80%以上的输电塔-线结构破坏是由雷暴引起的下击暴流所致。

大部分下击暴流事件伴随雷暴云的平动，而其平移速度最快能达到20 m/s，接近下击暴流出流速度的1/3，对水平风速有明显的增大效应，因此对移动下击暴流的研究不容忽略。在实验室研究下击暴流主要包括两种模型：冲击射流模型以及平面壁面射流模型。目前，无论是采用冲击射流还是平面壁面射流，对于下击暴流雷暴云的平移速度对其出流段水平风速的增大效应研究还较少，对于移动下击暴流的物理模拟和流场规律对应关系有待于深入研究。

本文中通过较慢移动速度冲击射流风洞试验与数值模拟进行对比，验证数值模拟的有效性，进而采用数值模拟研究较快平移速度对下击暴流出流段平均风剖面的影响；随后，通过引入协同流，在壁面射流方法中研究下击暴流的移动增大效应。为采用壁面射流试验方法来模拟较大缩尺比的移动下击暴流提供参考。

研究过程和特色

通过可移动冲击射流装置进行风洞试验研究，冲击射流装置喷口直径600 mm；喷口出流风速20 m/s。喷口相对平板高度为1200 mm。喷口固定在移动平台上，在传动带的驱动下可进行水平移动（图1），平移速度 U _t 为0.5 m/s和1 m/s，测量固定位置不同高度处的风速时程。

图1 移动冲击射流试验装置

通过计算流体动力学方法对平移速度较快的冲击射流进行数值模拟研究，进一步研究平移速度对下击暴流出流段风速的影响。冲击射流计算域及边界条件如图2所示。冲击射流侧面以及顶面为压力出口，入口采用速度入口，出流速度为20 m/s，出流湍流强度为1%，出流直径为600 mm，壁面为无滑移壁面，喷口与壁面的距离为1200 mm。

图2 冲击射流计算域以及边界条件

由于移动冲击射流风洞试验的局限性，很难进行较大缩尺比的试验，采用单纯壁面射流模型虽然可以解决这个问题，但是却没有考虑下击暴流移动对平均风剖面的增大效应。同时，采用冲击射流试验设备无法模拟较快平移速度的下击暴流风场，而协同流则基本不受试验条件的限制。因此，通过在壁面射流中加入协同流，从而实现壁面射流模型对下击暴流平移增大效应的模拟，如图3所示。

图3 典型微下击暴流示意图

有协同流壁面射流模型示意图及计算域边界条件如图4所示。平面壁面射流入口由射流速度入口以及协同流速度入口组成，壁面采用无滑移壁面，速度入口两侧面采用对称边界。壁面射流高度 b =30 mm，射流入口速度为30 m/s，由于壁面射流会卷吸周围环境流体，因此在壁面射流模拟中通常会采取协同流来提供卷吸流体。

图4 壁面射流计算域以及边界条件

研究成果

3.1 移动冲击射流风洞试验及数值模拟结果

首先进行了平移速度为0.5 m/s和1 m/s的冲击射流风洞试验与数值模拟研究。图5为冲击射流移动路径上离地高度为0.02倍喷口直径处固定点的速度时程。为了便于分析，采用小波方法对速度时程进行平均速度与脉动速度的分离。

图5 不同平移速度时风速时程曲线

由图5可以看出，移动冲击射流试验与数值模拟均重现了下击暴流出流段的主要风速特征，包括阵风前端风速的急剧增大，从而得到了下击暴流双峰值特征的第一个峰值；但是，风洞试验结果在喷口通过监测点之后形成的第二个峰值不明显，风速较小，这是由于当冲击风的风向改变之后，眼镜蛇风速仪的测量精度下降，导致采集数据不精确所致。移动速度为0.5 m/s时的瞬时峰值速度略大于1 m/s时，但是平均风速的最大值却相差不大。与试验结果相比，数值模拟瞬时风速最大值略微偏大，而最大平均风速吻合较好，并且风速分离得到的平均风也较为一致，表明数值模拟结果非常有效。同时，数值模拟可以避免风向改变导致测量仪器产生误差过大的问题。根据现有的实测数据，第二个峰值速度能达到第一个峰值速度的65%以上，数值模拟得到的速度时程与实际下击暴流更吻合。此外，平移速度为0.5 m/s和1 m/s对应的最大平均风速基本没有差别，说明当平移速度较小时，对下击暴流出流段的水平平均风速影响不大。

由于移动冲击射流风洞试验装置的局限性，为了反映真实下击暴流情况，采用数值模拟方法进一步探讨由于下击暴流的平移对出流段水平风速的影响，定义冲击射流平移与出流速度之比 β _r = U _t / U _j ，分别取值为0.10、0.15、0.20、0.25、0.30进行研究。

冲击射流在静止以及以不同平移速度移动到相同位置时的速度云图如图6所示。可以看出，在自由射流阶段，由于速度扩散，静止冲击射流呈梯形状；而当冲击射流开始移动后，由于受到射流平移前方流体的作用，冲击射流整体开始向后倾斜，出现了严重的不对称性，导致自由射流末端缩小，冲击面积减小，并且平移风速越大，冲击射流前端向后倾斜越大，冲击面积减少越多。而在壁面射流阶段，由于冲击面积的不断减小，导致冲击地面产生的涡旋尺度也逐渐变小。

图6 不同平移速度移动到相同位置时平均风速云图

3.2 平移速度对冲击射流水平出流速度的增大效应

在冲击射流模型中，定义各平移速度时冲击射流最大平均风速与静止冲击射流最大平均风速的比值为平移增大系数 C _zr ，如表1所示，当移动速度为6 m/s时,水平出流段的最大平均速度较静止冲击射流增大了13.3%，可以得到平移增大系数的拟合曲线如图7所示。

表1 冲击射流平移增大系数

图7 平移增大系数拟合曲线

3.3 协同流对平面壁面射流的影响

在采用壁面射流模型进行移动下击暴流模拟时，协同流与下击暴流平移速度的关系尚不清楚。若协同流与平移速度的对应关系未知，则无法根据平移速度来确定相应的协同流大小。因此，建立协同流对壁面射流的增大效应与平移速度对冲击射流的增大效应的对应关系，是采用壁面射流方法模拟移动型下击暴流的关键，采用数值模拟研究协同流对壁面射流风剖面的影响。数值模拟中，定义协同流和壁面射流出流速度之比 β _p = U _E / U _j ，取值为0.10、0.15、0.20、0.25、0.30。

不同协同流风速比时半高 y _1/2 与顺流距离关系如图8所示，可以看出，斜率随着风速比的增大而减小，而对截距的影响不大。截距表示壁面射流喷口附近的虚拟半高值，这说明协同流对壁面射流的初始发展阶段( x <5 b )影响不大，因此在采用有协同流壁面射流模拟下击暴流风场时，应该重点考虑壁面射流的完全发展阶段，才能合理利用协同流对下击暴流的移动效应进行模拟。

图8 β _p 对平面壁面射流半高的影响

不同协同流风速比顺流向最大速度衰减如图9所示。从图中可以看出，随着风速比的增加，最大风速衰减变慢，即当下击暴流平移风速越快，其水平风速的衰减越慢。因此，协同流对壁面射流最大平均风速具有增大效应。

图9 风速比 β _p 对平面壁面射流最大风速发展的影响

3.4 协同流对平面壁面射流的影响

壁面射流方法中，为了采用协同流模拟下击暴流中雷暴云平移对冲击风出流段平均风速的影响，定义有协同流时壁面射流各顺流向位置的最大平均风速与无协同流壁面射流最大平均风速的比值为协同增大系数，不同风速比时的协同增大系数 C _zp 如表2所示。对协同增大系数进行拟合可以发现，各风速比下的增大系数与顺流向距离满足幂函数规律，将参数 M 和 N 对平面壁面射流协同流风速比 β _p 进行二次拟合，最后可以得到不同风速比时的协同增大系数。

表2 不同风速比时的协同增大系数

应用前景

采用带协同流壁面射流模型模拟任意平移速度的下击暴流时，根据相应的平移速度来确定协同流的大小以及对应的顺流向位置，从而实现带协同流壁面射流模型对任意移动下击暴流平均风剖面的模拟。例如，采用带协同流平面壁面射流来模拟平移风速比为0.2时移动冲击射流最大风速所在位置的平均风剖面，该平移风速比移动增大系数为 C _zr =1.121。对应协同增大系数与平移增大系数，即 C _zp =1.121。可通过选定协同流风速比来确定顺流向位置，若取协同流风速比为0.2，可以计算得到对应的壁面射流顺流向位置为34 b ；此外，也可通过选定顺流向位置来确定协同流大小，若选定50 b 处为试验位置，根据对应关系可以确定协同流风速比为0.165，如图10所示。壁面射流的协同流几乎不会受到试验条件的限制，能够模拟较大平移风速的下击暴流，具有广泛的适用性。目前，基于壁面射流的下击暴流出流段模拟方法已经得到了应用，如图11为输电塔气弹模型试验，已经取得了较好的试验效果。