前言

作為特異風(fēng)的一種，龍卷風(fēng)具有強(qiáng)渦旋、高風(fēng)速、難預(yù)測(cè)、易致災(zāi)的特點(diǎn)。在我國(guó)，龍卷風(fēng)每年發(fā)生200～300次，主要集中在江蘇、浙江、廣東三省，對(duì)我國(guó)城鎮(zhèn)化水平高、人口密集、經(jīng)濟(jì)發(fā)達(dá)的區(qū)域造成嚴(yán)重威脅。2004～2019年，龍卷風(fēng)給我國(guó)造成的年平均經(jīng)濟(jì)損失逾7.6億元，僅2015年發(fā)生在廣東省佛山市順德區(qū)的一例龍卷風(fēng)災(zāi)害，就造成了逾10億元的損失，而發(fā)生在2016年6月23日江蘇省鹽城市的龍卷風(fēng)，更是造成了99人死亡、846人受傷的重大災(zāi)害。我國(guó)已成為僅次于美國(guó)的龍卷風(fēng)第二受災(zāi)國(guó)，龍卷風(fēng)也已成為風(fēng)工程領(lǐng)域的研究熱點(diǎn)。目前關(guān)于龍卷風(fēng)的相關(guān)研究面臨以下問(wèn)題。

(1) 土木工程結(jié)構(gòu)多存于近地表區(qū)域，實(shí)驗(yàn)室龍卷風(fēng)發(fā)生裝置中較大的縮尺比使準(zhǔn)確測(cè)量近地表風(fēng)場(chǎng)異常困難，導(dǎo)致龍卷風(fēng)時(shí)空分布數(shù)據(jù)匱乏、演化機(jī)理不清、數(shù)學(xué)模型缺失。因此，有必要發(fā)展一套可準(zhǔn)確再現(xiàn)龍卷風(fēng)風(fēng)場(chǎng)，尤其是近地表風(fēng)場(chǎng)的計(jì)算仿真體系，以獲得詳盡的風(fēng)場(chǎng)數(shù)據(jù)，厘清演化機(jī)理。

(2) 實(shí)驗(yàn)室模擬龍卷風(fēng)的雷諾數(shù)遠(yuǎn)低于真實(shí)龍卷風(fēng)。能否利用實(shí)驗(yàn)室模擬的低雷諾數(shù)的龍卷風(fēng)再現(xiàn)真實(shí)的高雷諾數(shù)的龍卷風(fēng)，以及如何建立兩者之間的有效聯(lián)系，是龍卷風(fēng)研究中亟待解決的問(wèn)題。

(3) 目前絕大部分風(fēng)洞僅能生成直線型風(fēng)，難以再現(xiàn)龍卷風(fēng)這種具有大曲率渦旋的流場(chǎng)結(jié)構(gòu)。能否通過(guò)風(fēng)洞獲取大曲率龍卷風(fēng)而引起的建筑風(fēng)荷載，以及如何簡(jiǎn)化建筑龍卷風(fēng)荷載獲取方法，是迫切需要解決的問(wèn)題。

(4) 龍卷風(fēng)飛擲物是重要的龍卷風(fēng)致災(zāi)因素之一，為了滿足飛擲物相似比要求，相關(guān)的試驗(yàn)?zāi)�擬需在較大尺寸的龍卷風(fēng)模擬器中開(kāi)展。而滿足尺寸要求的龍卷風(fēng)模擬器極為有限，且在龍卷風(fēng)模擬器中難以觀測(cè)飛擲物運(yùn)行軌跡，進(jìn)而限制了龍卷風(fēng)飛擲物的研究。因此，有必要采用數(shù)值仿真的手段進(jìn)行龍卷風(fēng)飛擲物的相關(guān)研究。

2010年，作者開(kāi)始在日本東京大學(xué)攻讀博士學(xué)位，次接觸到龍卷風(fēng)數(shù)值仿真這一前沿領(lǐng)域，并在Takeshi Ishihara教授的指導(dǎo)下于2013年完成了題為L(zhǎng)ESモデルを用いた數(shù)値流體解析による竜巻狀渦に伴う流れ場(chǎng)と空気力に関する研究(中文：龍卷風(fēng)風(fēng)場(chǎng)與氣動(dòng)力的大渦模擬研究)的博士課題。作者從2015年回國(guó)后延續(xù)博士課題方向，進(jìn)一步對(duì)龍卷風(fēng)雷諾數(shù)效應(yīng)、龍卷風(fēng)渦旋破裂以及龍卷風(fēng)飛擲物進(jìn)行了較為深入的研究，初步建立了龍卷風(fēng)計(jì)算仿真體系，構(gòu)建了龍卷風(fēng)時(shí)空演化模型，揭示了龍卷風(fēng)移動(dòng)與地表阻抗條件下風(fēng)場(chǎng)畸變機(jī)理，探明了龍卷風(fēng)雷諾效應(yīng)與演化機(jī)制，提出了龍卷風(fēng)解析模型與荷載簡(jiǎn)化計(jì)算理論，在國(guó)際上率先開(kāi)展了龍卷風(fēng)飛擲物研究并探明了飛擲物運(yùn)行與分布規(guī)律。

本書對(duì)龍卷風(fēng)數(shù)值仿真領(lǐng)域的相關(guān)研究進(jìn)行了較為全面的梳理，共分為12章。第1章為本書概述，主要介紹龍卷風(fēng)的研究背景及其分類；第2章介紹了數(shù)值模擬方法基礎(chǔ)；第3章對(duì)龍卷風(fēng)渦旋觸地這一過(guò)渡階段進(jìn)行了詳細(xì)研究；第4章介紹了各類型龍卷風(fēng)的三維湍流流場(chǎng)，并進(jìn)行了渦核區(qū)動(dòng)量收支分析；第5章在前幾章的基礎(chǔ)上系統(tǒng)研究了雷諾數(shù)在1.6103～1.6106范圍內(nèi)龍卷風(fēng)流場(chǎng)的雷諾數(shù)效應(yīng)；第6章對(duì)龍卷風(fēng)亞臨界渦旋破裂階段進(jìn)行了詳細(xì)研究；第7章分析了地面粗糙度和龍卷風(fēng)平移對(duì)流場(chǎng)的影響；第8章研究了龍卷風(fēng)誘導(dǎo)氣動(dòng)力，并提出了簡(jiǎn)化評(píng)估方法；第9章模擬了冷卻塔上龍卷風(fēng)引起的荷載，并探明了其風(fēng)荷載動(dòng)力學(xué)特性；第10章和第11章對(duì)不同階段龍卷風(fēng)引起的飛擲物進(jìn)行了數(shù)值研究；第12章探討了飛擲物撞擊建筑物表面的相關(guān)特性。

本書全部?jī)?nèi)容均基于作者十余年來(lái)在龍卷風(fēng)數(shù)值仿真領(lǐng)域中理論和實(shí)踐的總結(jié)。研究生卞維福、胡一冉、李偉鵬、曹益文、樊雙龍、彭杰協(xié)助完成了本書初稿的撰寫，李偉鵬承擔(dān)了繪圖與文字校對(duì)工作，胡一冉承擔(dān)了所有公式的編輯工作，國(guó)家自然科學(xué)基金(項(xiàng)目號(hào)：51608220)資助了本書的編撰與出版，出版社的編輯人員對(duì)書稿進(jìn)行了反復(fù)校核，在此一并表示衷心的感謝。

由于算力限制，目前作者所開(kāi)展的龍卷風(fēng)數(shù)值仿真研究仍有較多問(wèn)題尚未解決，在本書各個(gè)章節(jié)中對(duì)研究缺陷與研究方向也均作出了討論，希望能給予讀者一定啟發(fā)。本書難免存在不當(dāng)之處，敬請(qǐng)廣大讀者、學(xué)者、專家批評(píng)指正。



劉震卿

2021年3月