文献综述（或调研报告）：
由于龙卷风不可预报、局部性强和破坏力巨大等特点，直接进行龙卷风风场的实测和数据采集极其困难。因此，实验研究和数值模拟成为类龙卷风涡旋研究的有效手段，结合少量珍贵的实测数据，便可开展龙卷风的相关研究。
1972年，Ward[1]首先设计建立了实验室龙卷风发生装置（后称“Ward”型龙卷风发生装置），开展了实验室龙卷风研究的首次里程碑式的尝试。Ward在研究类龙卷风涡流时，假设真实龙卷风横向尺寸与纵向尺寸之比较小（小于1），并且提出由外收敛层控制的径向动量通量是维持这些涡流场的关键参数。Davies-Jones[3]在理解Ward上述研究结果的基础上，提出增加的径向动量通量被增加的外部气压（由离心力产生）所抵消，因此，他认为体积流率才是维持类龙卷风涡流场的关键参数。后来, Church等[4]在改进原设计的基础上构建了另外一个“Ward” 型龙卷风发生装置，在入流处采用防紊流板有效减少了涡流漂移，从而将漂移半径减至低于主涡半径的5%，使得在核心涡区内及其附近可进行有效的测量。Church等[5]研究指出，径向雷诺数足够大的情况下，流场结构与径向雷诺数无关。同时，他们提出涡流场的结构与内部宽高比相关性较弱，其应是涡流比的函数。在19世纪70-80年代时期，一些龙卷风的实验研究和理论分析都在探索类龙卷风流场结构，代表性的研究工作如Jischke和Parang[6], Harlow和Stein[7], Rotunno[8], Baker和Church [9], Fiedler和Rutono[10]等。然而，实实验模拟产生的龙卷风风场特性对装置的构型、尺寸、甚至电机的输出功率曲线等有很强的依赖性，不同装置产生的结果不具有可比性，且与真实风场结构区别较大。
考虑到龙卷风实验研究的局限性和19世纪90年代末计算机的快速发展，龙卷风的研究转为以数值模拟技术为主要手段的趋势。Lewellen等[11]采用大涡模拟（LES）的方法进行龙卷风与地面相互作用及其动力效应的模拟。由于采用LES时从雷暴的尺度考虑了热力学效应，产生了大量的空间性的中间变量，对计算能力要求较高，因此所进行的龙卷风模拟只是针对近地处的流动特性，与典型气象尺度层面的龙卷风不同。Nolan和Farrell[12]通过数值模拟进行龙卷风特性研究，并指出涡流雷诺数（远场循环与涡粘系数之比, Rev Omega;L2=nu;）相比涡流比可更好地表征龙卷风结构。然而，由于涡粘系数是湍流模型的副产物，且难以测量，因此很多学者，尤其是进行实验研究的学者，继续采用更容易度量的涡流比来进行表征。Nolan[13]通过增加参数提出一种面向对称流动的度量技术，再一次强调涡流雷诺数对控制龙卷风风场结构的作用。这是因为涡流场结构由气流循环和涡粘系数决定，该参数为湍流的一种表征方法。Lewellen等[14]采用LES技术，基于准定常边界条件进行角流动特性的模拟，结果指出连续的湍流结构具有较大的破坏力。
上述龙卷风风场的数值模拟大多为天气尺度的定性研究，与此同时，随着计算技术和硬件水平的进一步提高，数值研究变得更加可靠，利用先进的计算流体力学(CFD)求解器，一批风工程领域的学者逐步开展面向工程尺度的龙卷风风场数值模拟研究，如国外的Hangan和Kim[15]、Sengupta等[16]、Natarjan和Hangan[17]和Nasir和Bitsuamlak[18]等，国内的曹曙阳[19]、操金鑫[20]、肖仪清[21]等。目前，绝大多数数值模型都来源于特定的实验室龙卷风发生装置，具有代表性的如ISU模拟器(“top-down”型)、Ward模拟器和Purdue模拟器(“Ward”型)等。然而，实验室常利用实验模拟器的几何尺寸和构型(如导流叶片角度、顶棚高度等)来控制所模拟涡旋的特征。现有的实验龙卷风模拟器在几何尺寸和涡旋产生机制上的固有差异，使得其对应的数值模型构型也存在差异[22]。同时，实验室龙卷风模拟器采用电机驱动，其输出功率不稳定，实验时环境温度、湿度和气压等均不确定，导致对应数值模型的边界条件设置无固定参考，不同的边界条件设定阻碍了不同模拟结果之间的直接比较以及和实测数据的验证。
综上所述，龙卷风风场CFD数值模拟还需要进行大量的研究工作，亟需解决以下问题：1） 龙卷风风场CFD数值模型的构型与尺寸参数选取尚无可靠依据；2） 边界条件对龙卷风风场CFD模拟结果的影响尚不明确；3）龙卷风风场的可靠控制参数及其机制仍需探索。
主要参考文献：
[1] Ward N B. The Exploration of Certain Features of Tornado Dynamics Using a Laboratory Model[J]. Journal of Atmospheric Sciences, 1972, 29(6):1194-1204.
[2] 黄大鹏, 赵珊珊, 高歌, et al. 近30a中国龙卷风灾害特征研究[J]. 暴雨灾害, 2016, 35(2):97-101.
[3] Davies-Jones RP. The dependence of core radius on swirl ratio in a tornado simulator. Journal of the Atmospheric Sciences. 1973 Oct;30(7):1427-30.
