简易龙卷风产生装置CFD模拟

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1 前言

龙卷风是自然界中最强的气象运动之一，伴有强烈的竖向、切向及径向速度，且有较大气压降，因而完全不同于普通大气边界层风，会对建筑物造成严重破坏，造成人员伤亡及经济损失。龙卷风风场特性及龙卷风风载特性的研究对于重要结构的抗龙卷风设计是十分重要的，随着 CFD 领域的发展，考虑其较好的经济性及可重复性，越来越多的学者开始用数值模拟来研究龙卷风的相关特性。今天，我们做一个简单的龙卷风产生装置风场模拟。

2 建模与网格

建立如下的龙卷风产生装置简化模型，其中，R0=500mm，H0=500mm，L=2000mm。划分六面体网格，节点数约61万，最小正交质量0.75。

3 求解设置

龙卷风带有强烈的旋流特性，因此可采用雷诺应力模型。

顶部出口设置为压力出口即可，表压0Pa。

这里重点需要介绍一下入口的速度边界设置，圆柱面速度入口采用柱坐标来设置，主要包括切向速度和径向速度，采用局部柱坐标系，设置坐标原点和轴向方向。轴向方向为重力向上，径向速度设置为负值，也就是指向圆心。本案例切向速度和径向速度绝对值分别为0.06m/s和0.3m/s，对应的龙卷风涡流比S=vtan/vrad*R0/2/H0=0.1（vtan为切向速度，vrad为径向速度）。