[发明专利]一种核心半径可调的多涡龙卷风发生装置

说明书

一种核心半径可调的多涡龙卷风发生装置，固定挂件用于连接外壁顶部和外部结构，主风管与外壁由旋转装置相连；水平风管一端固接于主风管下部，一端自由；水平滑轨分别固定于水平风管下部，用于安装单向排风扇；竖直风管上部与主风管固接，下部安装双向排风扇；试验中，在旋转装置和排风扇共同作用下，气流旋转上升形成类龙卷风场，排风扇沿轨道径向滑动即可改变风场核心半径，竖直风管产生下沉气流即可模拟多涡龙卷风。该装置有效弥补了现有龙卷风模拟器不能改变核心半径并模拟多涡龙卷风的缺陷，具有良好的科研价值和广泛的工程应用前景。

技术领域

本发明涉及工程结构抗龙卷风领域，具体涉及一种核心半径可调的多涡龙卷风发生装置。

背景技术

龙卷风是地球大气中最猛烈的对流风暴，其近地面最大风速可达170m/s，属于自然界极端天气现象。龙卷风亦是风灾之一，活动范围几乎遍布全球，给人类带来深重的灾难。美国是世界上龙卷风发生的主要地区，素有“龙卷风之乡”的称谓。据Wind HazardReduction Coalition统计，每年平均有800-1000个龙卷风袭击美国，造成80多人遇难，1500多人受伤，直接经济损失近8.5亿美元。除美国以外，我国江淮和华南地区亦是龙卷相对多发地区。2015年10月，龙卷风袭击广东佛山顺德和广州番禺等地区，造成多人伤亡，广州大面积电网瘫痪。2016年6月23日，江苏省盐城市阜宁县发生EF4级龙卷（地面最大阵风风速达74-89 m/s），导致99人死亡、800多人受伤，倒塌房屋3000多间，道路受阻，通讯、电网设施受损严重，农作物损失殆尽。2019年7月，辽宁开原龙卷风灾害造成2.8万人受灾，经济损失惨重。随着国家现代化建设进程的加快，包括民用房屋、通信电力设施、大跨度桥梁和高铁路网等一大批关乎国计民生的基础设施已经或即将建设。因此，有必要开展工程结构抗龙卷风研究，以保障龙卷风作用下上述基础设施的安全，对稳定人民生活、促进经济发展具有重要意义。

龙卷风与传统强/台风存在巨大差异，具有尺度小、风场结构复杂、破坏力大、预报难度高等特点。目前，关于龙卷风的研究主要有现场实测、数值模拟和试验模拟等几种方法。由于龙卷风极强的破坏力和发生的随机性，实测研究往往需要付出高昂的代价，且难以获得足够的数据资料。随着计算机技术的迅猛发展和计算流体力学（Computational FluidDynamics, CFD）商用求解器的快速成型，一批风工程领域的学者逐步开展龙卷风数值模拟研究，并建立结构的数值模型，研究龙卷风对工程结构的作用模式。然而，龙卷风产生和发展的机理仍不明确，相关控制方程无法建立并应用于CFD中，其结果并不理想，准确性有待商榷。

鉴于龙卷风实测研究和数值模拟的困难，从上世纪70年代起，试验模拟成为龙卷风研究的主流趋势。19世纪80年代至今，随着WindEEE、VorTECH等龙卷风模拟器的设计与建造，众多学者进行了龙卷风的实验研究，通过理论分析探索类龙卷风流场结构，并将结构模型置于实验装置中，研究其龙卷风荷载和相关效应，获得了丰硕的成果。然而，更深层次的研究表明，不同龙卷风的核心半径差别较大，且龙卷风发生时风场一般为多涡形态，这与目前广泛使用的单涡且固定核心半径的试验风场恰恰相反，现有龙卷风发生装置气流流动模式单一，难以模拟真实龙卷风核心区的下降气流，未能有效模拟多涡龙卷风，导致结构龙卷风效应研究结果与真实情况存在较大差异。因此，亟需一种特殊的龙卷风发生装置，使得风场核心半径可调，且能模拟多涡龙卷风风场，可开展多工况风场模拟，从而使试验结果更具参考价值。

发明内容

为解决现有龙卷风模拟器不能改变核心半径并模拟多涡龙卷风的缺陷问题，采用一种核心半径可调的多涡龙卷风发生装置，以开展更接近真实情况的龙卷风风场试验模拟，使试验结果更加可靠。