龍卷風對低矮建筑破壞的機理分析★

張靜紅 荀 勇

(鹽城工學院土木工程學院，江蘇 鹽城 224001)

1 概述

2016年6月23日，鹽城阜寧發生了級別為EF4的龍卷風，其速度最高達到了73 m/s以上，該龍卷風對包括阜寧板湖鎮在內的7個鎮區22個村(居)的建筑造成了巨大的破壞、人員傷亡和財產損失。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西南急流中，地面在暖低壓倒槽中，濕熱異常，露點溫度超過28 ℃，達到廣東沿海的水準，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，誘發出強度驚人的超級單體，并最終導致極端龍卷風的誕生。此次鹽城阜寧的龍卷風發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展的過程，也難以解釋龍卷風蘊含巨大能量的事實。

然而，現有資料很難重現龍卷風發生時對建筑及周圍環境的損壞過程，本文采用龍卷風流體動力學仿真，再次重現出龍卷風發生時的流場狀況，并通過流場分析初步揭示了低矮建筑在龍卷風中的破壞機理。

2 龍卷風風場的數學建模

本文龍卷風發生的物理模型采用自然狀態的龍卷風模型[1],包括入口風嘴、入流區域和出流區域三個部分。具體為：入口數量16個，入口寬度5 m，入口高度200 m，出流區域為100 m，出流半徑為50 m；風速入射角為60°，入口風速為20 m/s，湍流度和耗散率用大氣湍流公式進行計算；采用四面體網格對計算域進行劃分，計算網格430萬個(如圖1所示)。

邊界條件設置：1)入口定義為速度入口，風速吹入方向與入口邊界垂直，且不隨高度發生變化；2)出口為出流邊界條件，保證入口和出口質量差小于0.5%；3)地面認為是無滑移邊界條件，定義為壁面；4)模型內部的連續性類型定義為流體。

在已有的模擬中，湍流模型曾選用SST模型[2]、RNG k-ε模型[3]、雷諾應力模型和大渦模擬[4]，本文選用雷諾應力模型，此模型已被證明與大渦模擬精度相當[4]，計算采用SIMPLEC算法，壓強松弛因子采用0.8，動量采用二階迎風格式。計算在3 000左右穩定，故取3 000步的計算結果進行分析。

3 龍卷風風場分析結果及討論

3.1 阜寧龍卷風規模

龍卷風模擬結果顯示(見圖2)，龍卷風最大風速為75 m/s，與觀測結果相符；最大風速對應的直徑約為50 m，且在80 m以下沒有明顯變化，在100 m直徑的龍卷風范圍內風速超過35 m/s。在核心區，龍卷風風速只有每秒幾米的量級，接近為0。在50 m以內，龍卷風近似隨半徑線性增大，而在50 m以外則基本與半徑成反比關系。

3.2 龍卷風壓強分布和垂向風速

由圖3可知，從龍卷風外圍至核心，壓強逐漸下降，壓強梯度近似與半徑成反比，在核心區壓強下降至0.8個大氣壓，在龍卷風核心區形成了很大負壓荷載。此外，計算結果表明，龍卷風經過區域具有強烈的上升氣流，最大風速所在的環形區域垂向風速達到最大，且此處的垂向風速隨高度增大而增大，在80 m處可達10 m/s。這一垂向風速是建筑碎屑、塵土和重物被龍卷風卷上高空的主要原因。

3.3 近地面龍卷風湍流特征

由圖4可知，龍卷風發生時地表面附近(3 m以下)的湍動能、湍流強度及耗散率均達到最大，這些量隨高度的增加而迅速減小，如5 m處的湍動能為3 m處的1/3，為1 m處的1/7；而5 m處的湍流耗散率僅為3 m高度的1/5，為1 m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3 m以下，5 m以上基本為0。垂向風速的脈動強度也表現為隨高度增加迅速衰減的趨勢。

4 龍卷風對低矮建筑的破壞機理

下面來分析龍卷風風場對低矮建筑房屋的破壞作用，首先分析龍卷風對單一建筑房屋的影響。在前述龍卷風風場中添加建筑房屋模型，為了簡化計算，本文采用長方體代表房屋，房屋長8 m，寬6 m，高3 m，屋頂坡度30°，位置為距離龍卷風中心25 m處，即處在最大風速處。計算結果表明，房屋側向迎風面上受正壓(見圖5a))，單位面積受力為28 kN，表明龍卷風沖擊力可能是導致建筑墻面倒塌的原因。其次，屋面兩側垂向流速差異明顯(見圖5b))，表明繞流導致氣流沖擊屋頂側產生了強烈的垂向風速(大于20 m/s)，可導致屋面構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側。

為了研究龍卷風對低矮建筑群的破壞機理，我們對低矮建筑群周圍的流場進行了模擬(見圖6)，并據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(25 m)的矩形設置為建筑區域，共15個房屋，房屋：8 m×6 m×3 m，屋頂坡度30°。

計算結果表明，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的壓強和流速分布的差異，如圖7所示。一般來說，龍卷風核心區內，存在著壓差達0.1個大氣壓的負壓(見圖7a))，核心區外部負壓對屋頂破壞影響相對較小。而垂向風速的分布規律是迎風側具有顯著的正向氣流，背風側存在顯著的下沉氣流，這與單一房屋的結果相符。

計算結果表明，龍卷風核心區內存在很強的垂向氣流和垂向風速脈動(見圖8)，核心區外的房屋屋角處仍存在很大的垂向氣流，可能是核心區外部建筑破壞的一個重要原因。

5 結語

根據本次龍卷風模擬，可以猜測：1)龍卷風內部的負壓是造成建筑門窗破碎原因；2)近地面強烈的湍動能、垂向脈動強度將造成房舍等發生振蕩破壞，且建筑碎屑四處飛濺；3)顯著的垂向氣流將造成大質量物體或碎屑飛上高空或拋向離建筑較遠的地方。因此，在建筑的屋頂設計時，應考慮采用不易碎的材料作為屋面材料，且最好應進行防爆泄壓設計。