下擊暴流作用下坡地風場特性研究

方智遠， 汪之松,2， 李正良,2

(1.重慶大學 土木工程學院，重慶 400045； 2.重慶大學 山地城鎮建設與新技術教育部重點試驗室，重慶 400045)

下擊暴流是雷暴天氣中下沉氣流猛烈沖擊地面并沿地面擴散而引起的近地面短時強風的災害現象。該強風現象在國內外造成了大量工程結構物的破壞，其對于輸電塔結構的破壞則更為嚴重和頻繁。實際氣象資料[1]表明：由于山地和高原地區具備易于形成雷暴的天氣條件，下擊暴流在我國的分布呈現出山地多于平原的特征。目前國內外對于下擊暴流的研究多集中于平地地形，很少考慮山坡、丘陵等地形因素對風場的影響。以往針對大氣邊界層風場的研究[2-9]表明：地形因素對于風場具有很大影響，其對于平均風速及近地面的湍流強度都會產生顯著的加速效應，荷載規范[10]中也針對不同地形給出了相應的修正公式。

近年來，大量科研工作者通過現場實測、理論推導、物理試驗以及數值模擬等方法對下擊暴流開展研究，并有學者提出了下擊暴流徑向和豎向風剖面的解析和經驗模型[11-16]，這些模型僅針對平地，未考慮地形因素對于風場的影響。Wood等[17]通過沖擊射流試驗及二維穩態數值模擬，考察了坡度為0.5的坡地地形風場，得出坡頂最大加速因子等于1.0加上坡度值的結論。Mason等[18]對二維坡地、三角形山體及鐘型山體地形風場進行了數值模擬，發現下擊暴流風場的地形加速效應比大氣邊界層風場小約30%。Mason等[19-21]采用簡化的非穩態雷諾平均求解方法(Unsteady Reynolds Average Navier-Storkes，URANS)，通過二維平面模型研究了山丘和坡地地形對于下擊暴流風場的影響，發現地形對于風速具有加速效應。汪之松等[22]采用物理試驗和數值模擬的方法，研究了穩態下擊暴流風場中高層建筑風荷載隨坡地坡度的變化規律，但未對坡地風場結構進行細致研究。

以往對于地形影響的下擊暴流風場特性的研究較少，且考慮到計算成本，多采用二維的穩態計算或簡化的非穩態的URANS方法來進行計算，不能很好地捕捉風場的瞬態特征，尤其是對于結構風工程較為關注的近地面湍流特征，URANS方法模擬得到的結果則更加具有局限性。以往考慮地形影響的下擊暴流風場研究均重點考察了平均風速，對于輸電塔等高聳結構風振響應具有較大影響的脈動風速特性則均未涉及。

本文通過平地及三個不同坡度坡地模型的沖擊射流物理試驗，結合大渦模擬(Large eddy Simulation， LES)研究了坡地地形對于下擊暴流風場的影響，給出了坡地地形下擊暴流流場的變化規律、瞬態風速特征以及坡地坡度對于平均風特性和脈動風速均方根的影響規律。

1 沖擊射流物理試驗概況

物理試驗在浙江大學的下擊暴流風洞試驗室進行，試驗裝置如圖1所示。

圖1 沖擊射流試驗裝置Fig.1 Impinging jet instrument

沖擊射流裝置噴口直徑Djet=600 mm，噴口到底板距離H=1 200 mm，H/D=2； 出流速度Vjet=12 m/s，幾何縮尺比1∶1 000。考慮了平地和坡地兩類地形，坡地地形試驗工況示意圖，如圖2所示。R為坡地檐口到下沉氣流沖擊地面中心的徑向距離；h為坡地高度；L為起坡位置到坡頂檐口的徑向距離。以往對于下擊暴流平地風場的研究表明：近地面水平風速極大值一般分布在R=1.0Djet～1.5Djet內，本文以此徑向范圍作為坡體所在位置進行典型坡地風場特性研究。

圖2 坡地地形試驗工況示意圖Fig.2 Definition of terms for slope topography

坡地地形參數工況，如表1所示。用r表示地面任意位置到沖擊射流中心的徑向距離。試驗分別測試了起坡位置，坡中位置，檐口位置(r=1.5Djet)、以及檐口后方2h位置離地不同高度處的水平風速。

表1 坡地地形模型參數

為了深入了解沖擊射流在近壁區的風場特性，試驗中測點布置沿高度方向采用下密上疏的排布方式，每個徑向位置沿高度方向共布置15個測點，測點高度范圍為10～180 mm。風速采用熱線風速儀進行采集，每個測點采集風場穩定后的風速時程。

2 沖擊射流數值模擬概況

用計算流體動力學方法(Computation Fluid Dynamics， CFD)軟件Fluent 14.5來模擬不可壓縮的下擊暴流流場。為了和風洞試驗進行對比，CFD數值模擬采用了與試驗同比例的三維縮尺模型。其數值模型尺寸、射流參數均與物理試驗模型保持一致，沖擊射流計算域噴口直徑Djet=600 mm，噴口到底板距離H=1 200 mm，出流速度Vjet=12 m/s，幾何縮尺比1∶1 000，相應的時間縮尺為(D/Vjet)Present model/(D/Vjet)Equivalent model=3∶1 000[23]，足尺中生命周期1 000 s相當于數值模型中的3 s。平地和坡地地形計算域剖面圖，如圖3所示。

圖3 計算域的剖面示意圖Fig.3 Sectional diagram of the computational domain

本文數值模型利用LES對風場進行瞬態模擬，時間步長取0.001 s，整個計算周期為2 s，利用監測點采集完整計算周期的風速時程。為了得到更精確的數值模擬結果，本文的CFD模擬前處理采用ICEM對計算

域進行結構化網格劃分，在沖擊射流中心區域采用雙層O型網格。在近壁面區域，采用增強壁面處理的近壁面模型來修正LES模型，以模擬近壁區的復雜流動。近壁面首層網格至壁面的距離Δy要滿足無量綱距離

(1)

式中： △y為首層網格至壁面距離，m；v為空氣的運動黏性系數， m2/s；τω為壁面切應力，Pa；ρ為空氣密度， kg/m3。模型第一層距壁面網格距離為△y=2×10-5，使得數值模擬結果的y+<1，滿足增強壁面處理方法的要求。

3 結果分析及討論

3.1 速度云圖和矢量場

以坡地模型Edx1(h/L=0.5)為例，采用沖擊射流模型對下擊暴流進行模擬，坡地地形條件下沖擊射流形成、下沉與擴散過程的速度云圖，如圖4所示，重點考察了下沉氣流撞擊地面后沿徑向發展并翻越山坡的過程，如圖4(b)～圖4(h)所示。

圖4 下擊暴流形成、下沉與擴散過程的速度云圖Fig.4 The velocity contour and vector plot of downburst in different times

從圖4可知，當t=0.15 s時(見圖4(a))速度入口形成下沉氣流并準備沖擊地面，由于下沉氣流與周圍氣體之間的拖拽卷吸作用，下沉氣流前端形成了環形渦流，此時風場還未受到坡地地形的影響；當t=0.25 s時(見圖4(b))，下沉氣流剛剛沖擊地面并沿徑向發展，受地面剪切作用，沿徑向發展的氣流前端形成新的環形渦流，環渦處產生風速的極大值。在有坡一側，氣流開始爬坡；當t=0.3 s時(見圖4(c))，環渦結構到達坡頂檐口位置，由于受到坡地地形的影響，環渦結構在翻越山坡的過程中被整體抬升，其極值風速也得到增強；當t=0.35 s時(見圖4(d))，先前產生的環渦由于慣性作用而繼續向斜上方運動，其體積增大而極值風速有所減小；當t=0.4～0.6 s時(見圖4(e)～圖4(h))，先前產生的環渦結構受慣性作用而繼續發展，逐漸與近地面的氣流脫離并最終消散，后續的近地面氣流越過山坡，并在坡頂檐口位置附近產生明顯的加速效應；當t=0.9 s(見圖4(i))和t=1.2 s(見圖4(j))時，風場結構已基本穩定，可以看出，在穩定階段，風場的極值風速基本出現在山坡坡頂檐口位置附近，檐口后方風速整體較小。

沖擊射流沖擊地面并翻越斜坡前后四個時刻的瞬時風速矢量場變化過程，如圖5所示。從圖5可知，坡地的存在改變了風場的流向，氣流經過山坡后，風速的豎向分量得到增強，特別是經過坡地的第一個環渦，由于坡后氣流較弱，爬坡氣流到達坡頂檐口后主要受慣性作用影響，故仍主要沿坡度方向運動，其風速的豎向分量明顯；當風場進入穩定階段后，如圖5(d)所示。沿坡上升的氣流受到坡頂后方水平氣流黏滯作用的影響，在到達坡頂檐口位置時其風速方向趨于水平，但較平地風場相比，在貼近地面處仍存在較大的豎向風速。以往對于下擊暴流平地風場的研究，其近地面豎向風速相對較小，主要關注水平風速，而坡地地形下，受地形的影響，檐口位置在風暴發展的早期存在較為明顯的豎向風速。

圖5 下擊暴流沖擊地面前后的矢量場Fig.5 The vector plot of downburst impacting the ground

3.2 瞬態風速特征

圖6給出了坡地和平地地形下沖擊射流發展過程中r=1.5Djet徑向位置處不同時刻水平風速的豎直風剖面。由于地形改變了氣流的運動方向，致使同一時刻平地和坡地的水平風速剖面存在較大差別，但兩類地形水平風速的豎直風剖面整體均呈現下大上小的分布規律，極值風速出現高度均在z=0.05Djet(30 mm)附近。當t=0.15 s時，沖擊射流還未撞擊地面，故平地與坡地的風剖面幾乎一致；當t=0.3 s時，平地水平風速大于坡地，結合圖5(b)可知，此時環渦剛剛到達坡頂檐口位置，其風速中的豎向分量較大，水平分量與平地相比則略小；在其他時刻，平地風場近地面水平風速極大值基本穩定在0.8Vjet左右，而坡地風場由于受地形影響而產生加速效應，近地面水平風速極大值多數穩定在1.1Vjet附近。

圖7給出了坡地和平地地形下沖擊射流發展過程中r=1.5Djet徑向位置處各時刻豎向風速的豎直風剖面。結果表明，坡地地形對沖擊射流的豎向風速具有很大影響，其中，在t=0.3時豎向風速的增大最為顯著，結合圖5(b)可知，此時環渦結構首次抵達坡頂檐口位置，坡后氣流對風速方向影響甚小，氣流主要受慣性作用支配，故豎向風速較大；而當坡頂氣流有所發展后，沿坡上升的氣流到達檐口后受坡后氣流的黏滯作用而趨于水平向運動，在貼近地面處豎向分量較大，而隨著高度的增加，檐口位置處風速的豎向分量迅速減小。

圖6 不同地形徑向位置r=1.5Djet處水平風速的豎直風剖面Fig.6 Vertical profiles of radial velocity of flat and slope topography at r=1.5Djet in different terrain

3.3 坡地地形下沖擊射流的平均風加速效應

在大氣邊界層風中，考察地形對于風場的影響，常通過引入加速因子Mt來進行研究。對于下擊暴流，這里也采取同樣的方法，通過加速因子來具體分析坡地地形對于下擊暴流風場的影響。Mt是由坡地與平地離地相同高度處風速之比得到的一個無量綱值，其計算公式為

(2)

圖7 不同地形徑向位置r=1.5Djet處豎向風速的豎直風剖面Fig.7 Vertical profiles of vertical velocity of flat and slope topography at r=1.5Djet in different terrain

式中：z為距地面高度，這里主要考察水平風速的加速效應，故u為水平風速值。u(z)topography和u(z)flat分別為坡地與平地相同高度處的水平風速。

為了對坡地加速效應進行充分論證，將試驗結果及LES的時均結果進行對比分析。圖8給出了平地與各坡度坡地地形在起坡位置、檐口位置、坡中位置和坡后2h位置處時均風剖面的比較。

圖8 坡地與平地各徑向位置風剖面對比Fig.8 Comparison of the wind profile between flat and slope topography at different radial positions

由圖8可知，LES數值模擬的時均風剖面與試驗風剖面取得了較好的一致，說明了采用LES方法研究坡地下擊暴流風場的有效性。數值模擬與風洞試驗結果均表明：與平地風場相比，除坡頂檐口位置(見圖8(c))在近地面具有顯著的加速效應外，起坡位置(見圖8(a))、坡中位置(見圖8(b))以及坡后2h位置(見圖8(d))均未發現加速效應。針對坡頂檐口位置，結合圖8(c)的水平風速，給出坡地地形下的加速因子，如圖9所示。

從圖9可知，數值模擬與物理試驗結果的加速因子沿高度變化的曲線較為一致，在近地面吻合良好。坡地檐口位置處，在z=0.06Djet(36 mm，實際風場下為36 m)高度以下均具有加速效應，近地面最大加速因子達到約1.3。在研究的三種坡地地形中，隨著坡度的增大，近地面加速因子略有增大，但由于本次研究的坡地地形有限，且坡度均小于30°(h/L=0.58)，故針對陡坡地形，其坡地風場加速因子的變化規律還有待進一步研究。

圖9 數值模擬和物理試驗結果加速因子對比Fig.9 Topographic multiplier profiles of numerical simulation and experimental results

3.4 沖擊射流的脈動風速湍流強度特性

坡地地形下下擊暴流的脈動風速特性在已有的研究中幾乎是空白。在輸電塔、高層建筑等的響應中，脈動響應往往遠大于平均風響應，而脈動風速特性是確定脈動響應的直接因素，其重要性完全不低于山地的平均風特性。同平均風速加速因子定義類似，可以定義脈動風速的湍流強度加速因子MI為

(3)

式中：z為距地面高度；I(z)topography與I(z)flat分別為坡地和平地離地相同高度處的湍流強度。

試驗中平地和坡地Edx3模型在各個徑向位置脈動風速湍流強度剖面特性，如圖10所示。圖中實線和虛線分別為風洞試驗測得的平地和坡地湍流強度值，分別對比了起坡位置(r=1.0Djet)、坡中位置(r=1.25Djet)、檐口位置(r=1.5Djet)、檐口之后2h位置處；圖11所示為坡地各個位置處湍流度加速因子剖面圖。從圖11可知，離下沉氣流沖擊中心越遠，湍流度越大。在r=1.0Djet～2.0Djet徑向位置范圍內，湍流度剖面沿高度均是先減小，后增大。平均風速大的位置，湍流度小；平均風速小的地方，湍流度大。受到坡地地形的影響，在近地面區域，坡中和檐口位置處的湍流強度相對平地增大不明顯，但超過一定高度(0.02Djet)后，坡地地形湍流強度都顯著增大；起坡和坡后位置相對于平地風場在近地面區域湍流強度有顯著增大，超過一定高度后(0.1Djet)后坡地地形湍流強度增大不明顯。上述對比說明坡地地形對沖擊射流的湍流強度有顯著影響。

圖12所示為試驗中不同坡度坡地(h/L=0.25，h/L=0.375和h/L=0.5)在檐口位置與平地的湍流強度對比，圖13所示為不同坡度坡地湍流強度加速因子沿高度變化曲線。從圖13可知，在近地面區域，各坡度坡地地形湍流強度相對平地增大不明顯，但超過一定高度(0.02Djet)后，湍流強度顯著增大，且當坡度較大時(h/L=0.5)，湍流強度增大更為明顯。

圖10 坡地與平地各徑向位置湍流度剖面對比Fig.10 Comparison of turbulence intensity profiles between flat and slope topography at different radial positions

圖11 坡地各位置湍流度加速因子對比Fig.11 Comparison of multiplier profiles between flat and slope topography at different radial positions

圖12 不同坡度坡地與平地湍流度剖面對比Fig.12 Comparison of turbulence intensity profiles between flat and different slopes

圖13 不同坡地湍流度加速因子對比Fig.13 Comparison of multiplier profiles in different slopes

4 結 論

本文通過沖擊射流物理試驗以及大渦數值模擬對下擊暴流作用下的平地及坡地風場進行研究，給出了坡地地形對于下擊暴流風場、瞬態風速特征、平均風特性以及近地面湍流強度影響的基本規律。主要結論如下：

(1) 下擊暴流在坡頂檐口位置處具有顯著的加速效應，且越過山坡的第一個環渦在檐口位置形成下擊暴流整個生命周期中的最大風速。氣流越過山坡的初期，受慣性力作用，檐口位置處風速的豎向分量較大，后期由于受到坡后氣流的黏滯作用，豎向分量有所減小。

(2) 坡地的存在改變了風場的原始結構，致使檐口位置處的水平風速與豎向風速都有所增大。風場穩定后，平地風場近地面水平風速極大值約為0.8Vjet，而坡地(L/h=0.5)風場水平風速極大值多數穩定在1.1Vjet附近。豎向風速在初始環渦經過時較大，之后受坡后氣流的影響而有所減弱，但與平地風場相比，在貼近地面處其豎向風速增大明顯。

(3) 在近地面區域，坡地地形條件下沖擊射流數值模擬和物理試驗給出了一致的結論，檐口位置有加速效應，而起坡位置、坡中位置和坡后2h位置處都沒有加速效應。在緩坡地形下(L/h≤0.5)，坡頂檐口位置處近地面水平風速最大加速因子達到約1.3。

(4) 試驗結果表明，與平地風場相比，坡地風場近地面湍流強度增大的區域為起坡位置和坡后位置，而坡中和檐口位置在近地面湍流度相對較小，但隨著高度的增加，湍流度明顯增大，其變化符合平均風速大的位置，湍流度小；平均風速小的地方，湍流度大的規律。對不同坡度坡地檐口湍流度加速因子的研究則表明，緩坡地形下(L/h≤0.5)，隨著坡度的增大，其湍流度有所增大，但湍流度隨坡度變化的完整規律還需通過增加坡度工況來做進一步研究。