龍卷風(fēng)對低矮建筑破壞機(jī)理研究
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摘要:針對鹽城市阜寧縣發(fā)生的龍卷風(fēng)進(jìn)行數(shù)值仿真，初步探討低矮建筑發(fā)生倒塌破壞的力學(xué)機(jī)理。采用數(shù)值仿真的方法研究低矮建筑周圍的龍卷風(fēng)場，通過風(fēng)場的情況推斷建筑破壞情況。主要對龍卷風(fēng)進(jìn)行數(shù)值仿真，分析流場的壓力、流速和湍流特征沿徑向和高度方向的分布特征，對單一低矮建筑和低矮建筑群周圍的龍卷風(fēng)場進(jìn)行計(jì)算，分析造成低矮建筑破壞的因素和機(jī)理。結(jié)果表明，龍卷風(fēng)內(nèi)部壓強(qiáng)下降至0．8個大氣壓，在龍卷風(fēng)核心區(qū)形成了很大負(fù)壓荷載;低矮房屋受風(fēng)速沖擊的前后兩側(cè)存在方向相反的較大垂向風(fēng)速，是造成房屋碎片向上飛揚(yáng)的主要因素。
關(guān)鍵詞:龍卷風(fēng)模擬；極端風(fēng)載荷；低矮建筑
1概述
2016年6月23日，鹽城阜寧發(fā)生了級別為EF4的龍卷風(fēng)，其速度最高達(dá)到了73m/s以上，該龍卷風(fēng)對包括阜寧板湖鎮(zhèn)在內(nèi)的7個鎮(zhèn)區(qū)22個村(居)的建筑造成了巨大的破壞、人員傷亡和財產(chǎn)損失。氣象觀測表明，6月23號下午，副熱帶高壓北抬到江蘇沿江附近，蘇北大部在副高北側(cè)西南急流中，地面在暖低壓倒槽中，濕熱異常，露點(diǎn)溫度超過28℃，達(dá)到廣東沿海的水準(zhǔn)，大氣能量極為充沛;同時東北冷渦也在行動，它從高空甩下來的一小股干冷空氣侵入西南濕熱氣流中，誘發(fā)出強(qiáng)度驚人的超級單體，并最終導(dǎo)致極端龍卷風(fēng)的誕生。此次鹽城阜寧的龍卷風(fēng)發(fā)生的過程與中氣旋的理論較為符合，角動量守恒原理和氣體自由渦理論并不能解釋氣流從上向下發(fā)展的過程，也難以解釋龍卷風(fēng)蘊(yùn)含巨大能量的事實(shí)。然而，現(xiàn)有資料很難重現(xiàn)龍卷風(fēng)發(fā)生時對建筑及周圍環(huán)境的損壞過程，本文采用龍卷風(fēng)流體動力學(xué)仿真，再次重現(xiàn)出龍卷風(fēng)發(fā)生時的流場狀況，并通過流場分析初步揭示了低矮建筑在龍卷風(fēng)中的破壞機(jī)理。
2龍卷風(fēng)風(fēng)場的數(shù)學(xué)建模
本文龍卷風(fēng)發(fā)生的物理模型采用自然狀態(tài)的龍卷風(fēng)模型［1］，包括入口風(fēng)嘴、入流區(qū)域和出流區(qū)域三個部分。具體為:入口數(shù)量16個，入口寬度5m，入口高度200m，出流區(qū)域?yàn)?00m，出流半徑為50m;風(fēng)速入射角為60°，入口風(fēng)速為20m/s，湍流度和耗散率用大氣湍流公式進(jìn)行計(jì)算;采用四面體網(wǎng)格對計(jì)算域進(jìn)行劃分，計(jì)算網(wǎng)格430萬個(如圖1所示)。邊界條件設(shè)置:1)入口定義為速度入口，風(fēng)速吹入方向與入口邊界垂直，且不隨高度發(fā)生變化;2)出口為出流邊界條件，保證入口和出口質(zhì)量差小于0．5%;3)地面認(rèn)為是無滑移邊界條件，定義為壁面;4)模型內(nèi)部的連續(xù)性類型定義為流體。在已有的模擬中，湍流模型曾選用SST模型［2］、RNGk-ε模型［3］、雷諾應(yīng)力模型和大渦模擬［4］，本文選用雷諾應(yīng)力模型，此模型已被證明與大渦模擬精度相當(dāng)［4］，計(jì)算采用SIMPLEC算法，壓強(qiáng)松弛因子采用0．8，動量采用二階迎風(fēng)格式。計(jì)算在3000左右穩(wěn)定，故取3000步的計(jì)算結(jié)果進(jìn)行分析。
3龍卷風(fēng)風(fēng)場分析結(jié)果及討論
3．1阜寧龍卷風(fēng)規(guī)模
龍卷風(fēng)模擬結(jié)果顯示(見圖2)，龍卷風(fēng)最大風(fēng)速為75m/s，與觀測結(jié)果相符;最大風(fēng)速對應(yīng)的直徑約為50m，且在80m以下沒有明顯變化，在100m直徑的龍卷風(fēng)范圍內(nèi)風(fēng)速超過35m/s。在核心區(qū)，龍卷風(fēng)風(fēng)速只有每秒幾米的量級，接近為0。在50m以內(nèi)，龍卷風(fēng)近似隨半徑線性增大，而在50m以外則基本與半徑成反比關(guān)系。
3．2龍卷風(fēng)壓強(qiáng)分布和垂向風(fēng)速
由圖3可知，從龍卷風(fēng)外圍至核心，壓強(qiáng)逐漸下降，壓強(qiáng)梯度近似與半徑成反比，在核心區(qū)壓強(qiáng)下降至0．8個大氣壓，在龍卷風(fēng)核心區(qū)形成了很大負(fù)壓荷載。此外，計(jì)算結(jié)果表明，龍卷風(fēng)經(jīng)過區(qū)域具有強(qiáng)烈的上升氣流，最大風(fēng)速所在的環(huán)形區(qū)域垂向風(fēng)速達(dá)到最大，且此處的垂向風(fēng)速隨高度增大而增大，在80m處可達(dá)10m/s。這一垂向風(fēng)速是建筑碎屑、塵土和重物被龍卷風(fēng)卷上高空的主要原因。
3．3近地面龍卷風(fēng)湍流特征
由圖4可知，龍卷風(fēng)發(fā)生時地表面附近(3m以下)的湍動能、湍流強(qiáng)度及耗散率均達(dá)到最大，這些量隨高度的增加而迅速減小，如5m處的湍動能為3m處的1/3，為1m處的1/7;而5m處的湍流耗散率僅為3m高度的1/5，為1m處的1/30。由于地表的摩擦作用，近地面的湍流生成率也僅限于3m以下，5m以上基本為0。垂向風(fēng)速的脈動強(qiáng)度也表現(xiàn)為隨高度增加迅速衰減的趨勢。
4龍卷風(fēng)對低矮建筑的破壞機(jī)理
下面來分析龍卷風(fēng)風(fēng)場對低矮建筑房屋的破壞作用，首先分析龍卷風(fēng)對單一建筑房屋的影響。在前述龍卷風(fēng)風(fēng)場中添加建筑房屋模型，為了簡化計(jì)算，本文采用長方體代表房屋，房屋長8m，寬6m，高3m，屋頂坡度30°，位置為距離龍卷風(fēng)中心25m處，即處在最大風(fēng)速處。計(jì)算結(jié)果表明，房屋側(cè)向迎風(fēng)面上受正壓(見圖5a))，單位面積受力為28kN，表明龍卷風(fēng)沖擊力可能是導(dǎo)致建筑墻面倒塌的原因。其次，屋面兩側(cè)垂向流速差異明顯(見圖5b))，表明繞流導(dǎo)致氣流沖擊屋頂側(cè)產(chǎn)生了強(qiáng)烈的垂向風(fēng)速(大于20m/s)，可導(dǎo)致屋面構(gòu)件破壞并使碎片飛離屋面，部分飛向高空，另一部分則飛向房屋背風(fēng)側(cè)。為了研究龍卷風(fēng)對低矮建筑群的破壞機(jī)理，我們對低矮建筑群周圍的流場進(jìn)行了模擬(見圖6)，并據(jù)此推斷建筑群中的房屋破壞。在CFD模型中，沿x和z方向2倍核心半徑(25m)的矩形設(shè)置為建筑區(qū)域，共15個房屋，房屋:8m×6m×3m，屋頂坡度30°。計(jì)算結(jié)果表明，房屋位置不同，造成氣流沖擊建筑的角度不同，從而造成建筑群中建筑屋頂?shù)膲簭?qiáng)和流速分布的差異，如圖7所示。一般來說，龍卷風(fēng)核心區(qū)內(nèi)，存在著壓差達(dá)0．1個大氣壓的負(fù)壓(見圖7a))，核心區(qū)外部負(fù)壓對屋頂破壞影響相對較小。而垂向風(fēng)速的分布規(guī)律是迎風(fēng)側(cè)具有顯著的正向氣流，背風(fēng)側(cè)存在顯著的下沉氣流，這與單一房屋的結(jié)果相符。計(jì)算結(jié)果表明，龍卷風(fēng)核心區(qū)內(nèi)存在很強(qiáng)的垂向氣流和垂向風(fēng)速脈動(見圖8)，核心區(qū)外的房屋屋角處仍存在很大的垂向氣流，可能是核心區(qū)外部建筑破壞的一個重要原因。
5結(jié)語
根據(jù)本次龍卷風(fēng)模擬，可以猜測:1)龍卷風(fēng)內(nèi)部的負(fù)壓是造成建筑門窗破碎原因;2)近地面強(qiáng)烈的湍動能、垂向脈動強(qiáng)度將造成房舍等發(fā)生振蕩破壞，且建筑碎屑四處飛濺;3)顯著的垂向氣流將造成大質(zhì)量物體或碎屑飛上高空或拋向離建筑較遠(yuǎn)的地方。因此，在建筑的屋頂設(shè)計(jì)時，應(yīng)考慮采用不易碎的材料作為屋面材料，且最好應(yīng)進(jìn)行防爆泄壓設(shè)計(jì)。
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作者：張靜 紅荀勇 單位：鹽城工學(xué)院土木工程學(xué)院