龙卷风的数值仿真_刘震卿_9787568071024_山东红枫叶教育发展有限公司

本书的主要内容旨在介绍龙卷风的数值模拟方法，相比其他自然灾害，龙卷风在中国发生频率不算太高，这也导致龙卷风灾害在防灾减灾方面受到的重视不够，没有单独的预警机制，被归于气象灾害预警当中。在目前的技术水平下，龙卷风无法预报，只能预警，虽然准确率有限，但是提前预警可以为民众争取一定的躲避时间。研究龙卷风的预警和计算是非常有必要的。本书的具体包括：龙卷风的数值建模、龙卷风涡旋动力学研究、龙卷风涡旋相似性、龙卷风的雷诺数影响、龙卷风的亚临界涡破裂、粗糙度和龙卷风平移影响、龙卷风诱导的气动力、以及龙卷风引起的飞掷物特性等章节，适合从事气象等特异风灾的防灾减灾专业的科研人员与研究生阅读。

前言

作为特异风的一种，龙卷风具有强涡旋、高风速、难预测、易致灾的特点。在我国，龙卷风每年发生200～300次，主要集中在江苏、浙江、广东三省，对我国城镇化水平高、人口密集、经济发达的区域造成严重威胁。2004～2019年，龙卷风给我国造成的年平均经济损失逾7.6亿元，仅2015年发生在广东省佛山市顺德区的一例龙卷风灾害，就造成了逾10亿元的损失，而发生在2016年6月23日江苏省盐城市的龙卷风，更是造成了99人死亡、846人受伤的重大灾害。我国已成为仅次于美国的龙卷风第二受灾国，龙卷风也已成为风工程领域的研究热点。目前关于龙卷风的相关研究面临以下问题。

(1) 土木工程结构多存于近地表区域，实验室龙卷风发生装置中较大的缩尺比使准确测量近地表风场异常困难，导致龙卷风时空分布数据匮乏、演化机理不清、数学模型缺失。因此，有必要发展一套可准确再现龙卷风风场，尤其是近地表风场的计算仿真体系，以获得详尽的风场数据，厘清演化机理。

(2) 实验室模拟龙卷风的雷诺数远低于真实龙卷风。能否利用实验室模拟的低雷诺数的龙卷风再现真实的高雷诺数的龙卷风，以及如何建立两者之间的有效联系，是龙卷风研究中亟待解决的问题。

(3) 目前绝大部分风洞仅能生成直线型风，难以再现龙卷风这种具有大曲率涡旋的流场结构。能否通过风洞获取大曲率龙卷风而引起的建筑风荷载，以及如何简化建筑龙卷风荷载获取方法，是迫切需要解决的问题。

(4) 龙卷风飞掷物是重要的龙卷风致灾因素之一，为了满足飞掷物相似比要求，相关的试验模拟需在较大尺寸的龙卷风模拟器中开展。而满足尺寸要求的龙卷风模拟器极为有限，且在龙卷风模拟器中难以观测飞掷物运行轨迹，进而限制了龙卷风飞掷物的研究。因此，有必要采用数值仿真的手段进行龙卷风飞掷物的相关研究。

2010年，作者开始在日本东京大学攻读博士学位，次接触到龙卷风数值仿真这一前沿领域，并在Takeshi Ishihara教授的指导下于2013年完成了题为LESモデルを用いた数値流体解析による竜巻状渦に伴う流れ场と空気力に関する研究(中文：龙卷风风场与气动力的大涡模拟研究)的博士课题。作者从2015年回国后延续博士课题方向，进一步对龙卷风雷诺数效应、龙卷风涡旋破裂以及龙卷风飞掷物进行了较为深入的研究，初步建立了龙卷风计算仿真体系，构建了龙卷风时空演化模型，揭示了龙卷风移动与地表阻抗条件下风场畸变机理，探明了龙卷风雷诺效应与演化机制，提出了龙卷风解析模型与荷载简化计算理论，在国际上率先开展了龙卷风飞掷物研究并探明了飞掷物运行与分布规律。

本书对龙卷风数值仿真领域的相关研究进行了较为全面的梳理，共分为12章。第1章为本书概述，主要介绍龙卷风的研究背景及其分类；第2章介绍了数值模拟方法基础；第3章对龙卷风涡旋触地这一过渡阶段进行了详细研究；第4章介绍了各类型龙卷风的三维湍流流场，并进行了涡核区动量收支分析；第5章在前几章的基础上系统研究了雷诺数在1.6103～1.6106范围内龙卷风流场的雷诺数效应；第6章对龙卷风亚临界涡旋破裂阶段进行了详细研究；第7章分析了地面粗糙度和龙卷风平移对流场的影响；第8章研究了龙卷风诱导气动力，并提出了简化评估方法；第9章模拟了冷却塔上龙卷风引起的荷载，并探明了其风荷载动力学特性；第10章和第11章对不同阶段龙卷风引起的飞掷物进行了数值研究；第12章探讨了飞掷物撞击建筑物表面的相关特性。

本书全部内容均基于作者十余年来在龙卷风数值仿真领域中理论和实践的总结。研究生卞维福、胡一冉、李伟鹏、曹益文、樊双龙、彭杰协助完成了本书初稿的撰写，李伟鹏承担了绘图与文字校对工作，胡一冉承担了所有公式的编辑工作，国家自然科学基金(项目号：51608220)资助了本书的编撰与出版，出版社的编辑人员对书稿进行了反复校核，在此一并表示衷心的感谢。

由于算力限制，目前作者所开展的龙卷风数值仿真研究仍有较多问题尚未解决，在本书各个章节中对研究缺陷与研究方向也均作出了讨论，希望能给予读者一定启发。本书难免存在不当之处，敬请广大读者、学者、专家批评指正。

刘震卿

2021年3月

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