前言

作為特異風的一種，龍卷風具有強渦旋、高風速、難預測、易致災的特點。在我國，龍卷風每年發(fā)生200～300次，主要集中在江蘇、浙江、廣東三省，對我國城鎮(zhèn)化水平高、人口密集、經(jīng)濟發(fā)達的區(qū)域造成嚴重威脅。2004～2019年，龍卷風給我國造成的年平均經(jīng)濟損失逾7.6億元，僅2015年發(fā)生在廣東省佛山市順德區(qū)的一例龍卷風災害，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，更是造成了99人死亡、846人受傷的重大災害。我國已成為僅次于美國的龍卷風第二受災國，龍卷風也已成為風工程領(lǐng)域的研究熱點。目前關(guān)于龍卷風的相關(guān)研究面臨以下問題。

(1) 土木工程結(jié)構(gòu)多存于近地表區(qū)域，實驗室龍卷風發(fā)生裝置中較大的縮尺比使準確測量近地表風場異常困難，導致龍卷風時空分布數(shù)據(jù)匱乏、演化機理不清、數(shù)學模型缺失。因此，有必要發(fā)展一套可準確再現(xiàn)龍卷風風場，尤其是近地表風場的計算仿真體系，以獲得詳盡的風場數(shù)據(jù)，厘清演化機理。

(2) 實驗室模擬龍卷風的雷諾數(shù)遠低于真實龍卷風。能否利用實驗室模擬的低雷諾數(shù)的龍卷風再現(xiàn)真實的高雷諾數(shù)的龍卷風，以及如何建立兩者之間的有效聯(lián)系，是龍卷風研究中亟待解決的問題。

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

(4) 龍卷風飛擲物是重要的龍卷風致災因素之一，為了滿足飛擲物相似比要求，相關(guān)的試驗模擬需在較大尺寸的龍卷風模擬器中開展。而滿足尺寸要求的龍卷風模擬器極為有限，且在龍卷風模擬器中難以觀測飛擲物運行軌跡，進而限制了龍卷風飛擲物的研究。因此，有必要采用數(shù)值仿真的手段進行龍卷風飛擲物的相關(guān)研究。

2010年，作者開始在日本東京大學攻讀博士學位，次接觸到龍卷風數(shù)值仿真這一前沿領(lǐng)域，并在Takeshi Ishihara教授的指導下于2013年完成了題為LES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と空気力に関する研究(中文：龍卷風風場與氣動力的大渦模擬研究)的博士課題。作者從2015年回國后延續(xù)博士課題方向，進一步對龍卷風雷諾數(shù)效應、龍卷風渦旋破裂以及龍卷風飛擲物進行了較為深入的研究，初步建立了龍卷風計算仿真體系，構(gòu)建了龍卷風時空演化模型，揭示了龍卷風移動與地表阻抗條件下風場畸變機理，探明了龍卷風雷諾效應與演化機制，提出了龍卷風解析模型與荷載簡化計算理論，在國際上率先開展了龍卷風飛擲物研究并探明了飛擲物運行與分布規(guī)律。

本書對龍卷風數(shù)值仿真領(lǐng)域的相關(guān)研究進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章對龍卷風渦旋觸地這一過渡階段進行了詳細研究；第4章介紹了各類型龍卷風的三維湍流流場，并進行了渦核區(qū)動量收支分析；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)龍卷風流場的雷諾數(shù)效應；第6章對龍卷風亞臨界渦旋破裂階段進行了詳細研究；第7章分析了地面粗糙度和龍卷風平移對流場的影響；第8章研究了龍卷風誘導氣動力，并提出了簡化評估方法；第9章模擬了冷卻塔上龍卷風引起的荷載，并探明了其風荷載動力學特性；第10章和第11章對不同階段龍卷風引起的飛擲物進行了數(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。

本書全部內(nèi)容均基于作者十余年來在龍卷風數(shù)值仿真領(lǐng)域中理論和實踐的總結(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，李偉鵬承擔了繪圖與文字校對工作，胡一冉承擔了所有公式的編輯工作，國家自然科學基金(項目號：51608220)資助了本書的編撰與出版，出版社的編輯人員對書稿進行了反復校核，在此一并表示衷心的感謝。

由于算力限制，目前作者所開展的龍卷風數(shù)值仿真研究仍有較多問題尚未解決，在本書各個章節(jié)中對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)。本書難免存在不當之處，敬請廣大讀者、學者、專家批評指正。



劉震卿

2021年3月