龙卷风风场与结构风荷载CFD数值模拟

摘要

龙卷风作为雷暴等极端气候的产物，有着生消迅速、难于监控、威力惊人等特点，且其在全球范围分布广泛并有随气候恶化而愈加频繁出现的趋势。人类通过灾后调查、雷达观测等手段已积累了较为丰富的龙卷风预报经验并完善了相应的防范机制，但是龙卷风复杂的流场结构和多样的破坏模式使得研究人员很难在短期内完全了解其发生机理及作用方式。本文采用基于计算流体动力学（CFD）的数值模拟研究龙卷风场下近地面处流场结构及其对建筑物风荷载的影响。本文的系统研究成果为建筑物的抗龙卷风设计提供崭新的途径和手段，丰富和发展结构抗风设计理论。本文具体研究内容如下：
　　通过分析现有龙卷风的实验室模拟装置，基于通用商业CFD软件建立了龙卷风发生装置的数值模型，基于柱坐标的流场计算域包括三个子区域：底部入流区、中部对流区及上部出流区。
　　以Spencer龙卷风的雷达实测数据作为入口边界条件，力求再现真实的龙卷风风场，并着重研究了影响龙卷风特性的网格划分、湍流模型和边界条件等 CFD数值模拟方面的影响因素，从而确立了龙卷风风场 CFD数值模拟的相关参数。
　　研究入口风速剖面和入射角剖面的变化对龙卷风风场结构的影响规律，进而获得不同尺度和不同强度的龙卷风风场模拟方法，采用核心半径刻画龙卷风风场的尺度，采用最大切向速度刻画龙卷风风场的强度，并通过涡流比沿高度变化规律阐释实际不同形状龙卷风的形成规律。
　　，研究龙卷风风场中单体建筑物的风荷载分布特性考虑了建筑物所处距离龙卷风中心处不同位置和不同风向角对建筑物表面风压系数和整体风力系数的影响，通过后处理展示出不同风向角下建筑物表面的3D涡结构图，更好地阐述了龙卷风风场与建筑物的相互作用机理。

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第1章 绪论

1.1课题来源及研究目的与意义

1.2 国内外对龙卷风的研究现状

1.3本文主要研究内容

第2章 龙卷风形成机理与研究方法

2.1 引言

2.2 龙卷风风场生成机理分析

2.3 龙卷风风场实验室模拟

2.4 龙卷风风场相关理论公式

2.5龙卷风风场数值模拟理论及工具

2.6 本章小结

第3章 龙卷风场数值模拟的影响因素研究

3.1 引言

3.2网格划分对龙卷风场特性的影响

3.3湍流模型对龙卷风场特性的影响

3.4边界条件对龙卷风场特性的影响

3.5 本章小结

第4章 龙卷风场结构的控制参数研究

4.1 引言

4.2 入口风速对龙卷风场结构的影响

4.3入射角对龙卷风场结构的影响

4.4 涡流比对龙卷风场结构的影响

4.5本章小结

第5章 龙卷风致建筑表面风荷载的数值模拟

5.1 引言

5.2 龙卷风场中建筑物风荷载数值模拟的可行性研究

5.3 不同径向位置对建筑物风荷载的影响研究

5.4不同风向角对建筑物风荷载的影响研究

5.5本章小结

结论

参考文献

声明

致谢