蒙古高原风蚀颗粒物空间过程数值模拟及预报

基于WRF-IWEMS耦合模型对2016年3月1~9日发生在蒙古高原的强沙尘天气过程进行数值模拟,着重模拟了尘源、粉尘传播路径以及粉尘扩散过程中浓度变化和影响范围,并采用卫星影像、站点监测数据与模型结果进行对比分析。结果表明：此次风沙天气过程的尘源分布在新疆哈密地区、阿拉善高原、中蒙边境戈壁地区以及浑善达克沙地部分地区,粉尘自源区分别沿河西走廊、贺兰山区、张家口等地扩散至华北和京津地区。蒙古高原土壤风蚀可使华北地区来自自然源的大气颗粒物PM₁₀、PM_2.5浓度分别达到1 000 μg·m^-3、200 μg·m^-3以上,还可使华北地区大气颗粒物浓度高于200 μg·m^-3的天气持续48 h以上。     

考虑沙粒带电情形下的单宽输沙率经验公式

 单宽输沙率是风沙流研究的一个重要参数。基于考虑跃移运动沙粒带电的风沙流演化过程理论模型,对单宽输沙率进行了大量详细的数值模拟,在此基础上,拟合得到一个便于实际应用的单宽输沙率经验公式。该公式包含来流风速、沙粒粒径和平均荷质比等影响风沙流演化过程的重要可测参数。与已有模型相比较发现,通过对公式中参数沙粒荷质比赋予（-160 μc·kg-1, 0 μc·kg-1）范围内的值,预测的输沙率与现有许多输沙率预测公式的预测结果都能符合,意味着静电作用可能是导致众多输沙率公式预测结果不统一的原因之一。     

以计算流体动力学模型（CFD）模拟的戈壁地表风沙两相流运动特征

尘暴过程中沙砾质戈壁地表的风沙两相流运动,一直是风沙物理学关注的问题。但由于技术限制,野外观测及风洞实验难以捕捉大规模颗粒运动。为此,本文通过构建流体-颗粒碰撞互馈模型进行三维场域数值模拟,分析了不同砾石盖度下尘暴来流中的风沙两相流运动规律。结果表明：基于三维场流体-颗粒碰撞互馈模型修正后的求解结果能够较为准确地模拟戈壁地表风沙两相流运动过程。(1)不同来流尘暴过程,风相速度均会随砾石盖度的增大而减小,并在砾石盖度大于40%的戈壁近地表形成拜格诺焦点。相较于风相,沙相降速不明显。此外,距砾石床面4 cm以上,风沙两相速度基本保持一致。(2)当尘暴速度大于10 m·s^-1时,在距地1.5～2.1 m高度形成风沙两相流速度交点,交点上下表现为“风快沙慢”及“风慢沙快”现象。(3)尘暴过程中近地表沙尘浓度沿均值线呈“脉动”规律,表现为地表粉尘沉降与再释放循环过程,同时砾石盖度大小会直接影响沙尘沉积分布,当盖度大于40%时能够有效抑制沙尘释放。     

基于湍流结构的风沙颗粒起动动态演化的概念模式

从驱动沙粒群起动的湍流结构入手,提出了基于气固两相流自调节机制的风沙颗粒起动的概念模式。受风沙边界层湍流相干结构的产生、消亡、湍流的随机脉动和运动沙粒群碰撞过程的动量损失等因素的控制和影响,风沙两相流始终处于不平衡—平衡—不平衡的动态演化之中,在此过程中,存在着普通的空气动力学起动、典型的冲击起动、湍流猝发起动等多种起动方式的循环交替的动态演化。上述多种的沙粒起动方式能够根据风沙边界层边壁区的湍流运动应力和沙粒群碰撞过程的动量损失来界定。该概念模式需要综合利用相位多普勒粒子动态分析测速技术、粒子图像测速技术和高速数字摄影技术等手段来进一步验证。该概念模式的提出,将为深入理解沙粒起动的力学机制提供新的思路。     

悬移层风沙运动数值模拟

针对沙尘暴天气的风沙气固两相流,采用FLUENT软件,对悬移层的风沙运动进行了,2D数值模拟分析．比较了流体边界条件对流场的影响。风沙起动后,用紧贴地面的平面作为风沙起动床面的简化模拟面。本文提出一个新的沙粒起动体积浓度的表达式,并在计算中作为边界条件。在模拟中,避免了对床面复杂状况的直接描述。计算结果揭示了风沙流起动阶段沙尘的速度、体积浓度分布规律及其在边界条件影响下的变化规律。     

碰撞激起沙粒的起跳初速度分布函数

本文根据已有粒/床碰撞研究得出的基本定性结论以及组合论的基本原理,给出了风沙流中碰撞激起沙粒的起跳初速度分布函数,该函数服从瑞利分布的形式。以这一起跳初速度分布函数为基础建立风沙耦合跃移运动的基本模型,计算了单宽输沙率等风沙运动机理研究中普遍关心的物理量。将计算结果和已有实验结果对比分析表明,本文给出的起跳初速度分布函数是科学的,这对风沙流中沙粒起跳初速度分布函数给出了一个定性的认识。     

腾格里沙漠东南部野外风沙流观测

风沙流是一种沙粒的群体运动,是风沙物理研究的重要内容之一。开展风沙流研究,能够为风沙运动理论与工程实践提供理论支持。由于自然界风的阵性、地表湿度、下垫面属性和风程长度等影响因子的时空变化对风沙流运动的影响,以及长期野外观测的限制,对风沙流的研究目前还不是很完善。本文依据中国科学院风沙科学观测场2005-2009年的长期观测资料,采用赤池信息量准则（Akaike information criterion）,对5种风沙流通量研究常用的拟合模型进行对比分析。结果表明,指数函数模型(q(z)=ae-z/b)是平坦沙地上风沙流的最佳表示方式,该模型拟合系数a值在0～600之间,但主要分布在0～100之间,占64.40%,其次为100～150之间,占18.24%;系数b值在0～0.06之间,主要分布在0.015～0.040之间,占91.21%,其中0.025～0.030占26.37%,其次为0.030～0.035,占24.40%。风沙流中的沙粒平均跃移高度与拟合系数b相同。风沙流在运动过程中,主要在高度20 cm以下传输。风沙流对地表的风蚀和堆积机率几乎是相等的。     

风沙流中沙粒拖曳力系数研究

 拖曳力系数是计算风沙流中沙粒受空气阻力的重要参数。考虑实际风沙流中沙粒浓度及沙粒形状,利用FLUENT软件首先计算了不同风速下距地表不同高度处两沙粒的拖曳力系数,给出了影响沙粒拖曳力系数的间距范围,然后计算了真实风沙流中不同高度沙粒拖曳力系数。结果表明,给定风速下拖曳力系数随距地面高度的增加先减小后增加,并将沙粒拖曳力系数拟合成距床面高度的函数,该函数与风速有关。     

长江口表层沉积物分布特征及动力响应

基于长江口2003 年2 月采集的58 个表层沉积物样品及以同步水动力资料的分析表明, 表层沉积物中值粒径自江阴-口外逐渐变细, 由江阴附近的217.8 μm 减少到南槽口外的12.1 μm; 浑浊带海域表层沉积物中值粒径北港最大, 平均为126.2 μm, 北槽其次, 平均为48.4 μm, 南槽最小, 平均为14.2 μm; 口外海域则北槽最大, 为22.4 μm, 北港其次, 为16.5 μm, 南槽最小, 为12.1 μm。沉积物分选性大多为中等-很差, 中值粒径越大, 分选系数越 小; 沉积物偏度大多是近对称-极正偏; 峭度表现为中等峭度-很窄尖。横沙以上区域表层 沉积物类型以砂为主, 口外海域沉积物类型以粘土质粉砂为主, 浑浊带海域表层沉积物类型复杂多样。长江口主槽表层沉积物中值粒径与落潮历时、V_e/V_f 值和余流值等动力参数呈正相 关关系, 落潮动力条件是决定长江口表层沉积物中值粒径大小的主要动力因素。     

沙源供给条件对风沙流结构的影响

 针对风沙运动的气固两相流特点,利用FLUNET 软件,对不同沙源供给条件下各种床面的风沙积蚀平衡进行了数值模拟,给出了风速分布和沙粒体积分数随沙源供给条件和下垫面变化的线图,比较了流动边界条件对流场的影响。计算结果揭示了风沙运动中沙粒的体积浓度分布在风速变化和床面形态变化下的变化规律,为沙漠化的防治和理论研究提供了基础。     

沙尘起动初期近地面浓度分布数值模拟研究

对沙尘事件发生初始阶段近地面空间的风沙运动进行了数值模拟研究。考虑固相的剪切黏性、总体黏性、气固相间动量交换、升力等,建立了一个二维气固两相流动数学模型。采用Fluent流体力学软件,进行数值计算。对一组风洞实验数据进行了模拟计算,验证了本模型和计算方法的正确性。研究区域高500 m、长1 000 m。近地层风速廓线采用指数式。沙尘粒度分布用R-R分布;粒径5~150 μm。模拟计算得出近地层内不同风速、沙粒直径的风沙速度及沙尘体积浓度空间分布。结果表明,沙尘起动初期分为发展壮大、回落、稳定3个阶段。沙尘卷起的发展段长度、沙尘卷扬高度及浓度分布曲线形状,均随沙粒和入口风速而明显变化。到达稳定阶段,沙尘浓度沿高度的分布表现为,近地面存在一个均匀的浓度层,即饱和层,其浓度、高度取决于风速和沙粒粒径;饱和层以上沙尘浓度呈指数衰减。     

稳态风沙流中沙粒体积浓度的模型分析

本文建立了一个简单有效的稳态风沙流中沙粒体积浓度的数学模型,包括3个部分:稳态风沙流的风速廓线描述、跃移沙粒轨迹的计算、床面沙粒起跳速度分布的描述。利用已知实验的风速廓线作为气流速度场输入参数,跃移沙粒轨迹的计算主要考虑重力和拖曳力,基于体积观点的床面起跳沙粒的水平速度和垂直速度概率密度分布函数分别采用正态分布和指数分布函数来描述。根据稳态风沙流中运动沙粒的动态平衡特征可推导计算沙粒体积浓度。计算的沙粒体积浓度与风洞实验结果基本一致,说明本模型有较好的预测能力。     

坡面地表下的风场的风洞实验与数值模拟

 针对传统近地层风沙流的理论与数值模拟研究以及风洞实验大多是基于理想条件（平坦床面、定常风速）,而实际风沙运动通常发生在复杂环境下（如复杂地形、湍流结构风场等）,沙漠最基本的地貌形态如沙丘、沙波纹等迎风面坡度对颗粒起动和输沙率影响很大。基于此,应用相位多普勒粒子分析仪（PDPA）对坡面近地表风场进行测量,得到迎风坡及背风坡的风场特性,并且采用SIMPLE算法对坡面风场进行了数值模拟。通过对数值模拟及风洞实验结果进行对比分析后,发现数值模型不仅能够有效地模拟风洞实验中坡面地表的风场特性,而且能够较为直观全面的展现迎风坡面、特别是背风坡面的风场结构特性。     

风沙环境中公路风沙灾害的数值模拟

为揭示沙漠公路两侧风沙流场的空间分布特性，采用欧拉-拉格朗日方法，把气流作为连续介质，把沙粒作为离散体系，利用ANSYS标准k-ε湍流模型和DPM离散相模型，模拟了不同沙粒粒径（150、200、250、300、350 μm）、不同摩阻风速（0.20、0.35、0.50、0.65、0.80 m·s^-1）、不同挡风墙高度（1.0、1.5、2.0、2.5、3.0 m）以及不同挡风墙开孔情况下的公路路基附近的沙粒跃移运动，统计了挡风墙前后的沙粒数目，给出了公路路基坡脚和坡顶等典型断面上的气流速度廓线。结果表明：气流通过挡风墙顶部时受压加速，有利于沙粒的输送，而在挡风墙前部气流遇阻减速，形成沙粒堆积。随着沙粒粒径的变大，沙粒跃过挡风墙的能力逐渐变低；随着摩阻风速的变大，气流输运能力增强，更多沙粒越过挡风墙；随着挡风墙高度的增加，阻挡沙粒数亦逐渐增多；挡风墙开孔的位置和大小亦影响着沙粒的运动。这表明离散相模型对复杂下垫面风沙跃移运动的计算具有良好的效果。     

砾石级沙粒胶结体抗风蚀效益的实验研究

塔克拉玛干沙漠腹地部分垄间地表发育了一种由众多沙粒胶结而成的大颗粒物质,称为沙粒胶结体(sand cemented bodies,缩写为SCB),其直径达到粗沙级、极粗沙级和砾石级。为了研究其对地表风沙活动的影响,本研究以野外采集的砾石级沙粒胶结体(gravel-size sand cemented bodies,缩写为GSSCB)为实验材料,在净风和挟沙风条件下进行了GSSCB覆盖沙面的抗风蚀模拟实验。结果表明:床面的蚀积状态与来流条件、GSSCB覆盖度和风速均有关,净风时所有覆盖度床面均呈风蚀状态,挟沙风时随覆盖度和风速而变化,床面可呈3种状态-风蚀、蚀积平衡、风积;在风蚀状态时,床面风蚀率随覆盖度增大以指数形式降低,随风速增大而以多种函数形式增加,抗风蚀效率随覆盖度增大而逐渐增加,但不同覆盖度范围增加率不同;挟沙风条件下呈蚀积平衡状态时的床面覆盖度临界C_b值与风速大小有关,随风速增加呈幂函数形式增加;在挟沙风条件下,覆盖度大于C_b值时床面呈风积状态,积沙率与风速的关系较为复杂,80%覆盖度床面积沙率随风速增大呈对数形式增加,但40%覆盖度床面积沙率则随风速增加呈指数形式降低。可见,由于与砾石的物理性质相近,GSSCB覆盖确实具有与砾石相类似的抗风蚀效益,并且在一定覆盖度条件下还能捕获风沙流挟沙颗粒。因此,塔克拉玛干沙漠腹地丘间地天然发育的GSSCB对于地表蚀积过程具有重要影响。GSSCB可作为一种新型固沙技术进行开发。     

沙漠地区大气扩散参数特征分析

1996年4月和5月我们分别在内蒙古吉兰泰气象站和银川机场气象台用南京大学大气科学系研制的三分量风速仪,观测了各类不同天气条件下沙漠地区三维风速脉动量u、v和w,根据Taylor湍流统计理论及Hay和Pasquill的假设,统计计算了各湍流特征值,计算分析了湍流场中水平风向和垂直风向的大气扩散参数e_y和e_z,并结合美制APS-3310A型激光空气动力学气溶胶粒子谱仪的观测结果,初步分析了沙尘天气条件下扩散参数与近地层沙尘气溶胶粒子数浓度和质量浓度的关系。     

三维空间中沙粒旋转对其跃移轨迹的影响

风沙流中沙粒旋转通常具有明显的三维旋转特性。本文通过数值建模考察了三维空间中不同沙粒旋转状态所产生的Magnus力对其跃移运动轨迹特征的影响。在三维坐标系中,X、Y、Z轴分别表示水平、垂直和横向方向,气流沿X方向流动,沙粒起跳时位于XY平面内。结果表明,跃移沙粒仅绕Z轴旋转起跳时,初始起跳角速度的增大会导致在XY平面内的跃移高度和跃移距离减小而降落角增大,但Z方向没有运动发生。跃移沙粒仅绕X轴或Y轴旋转起跳时,绕X轴或Y轴的初始起跳角速度的变化对在XY平面内的跃移轨迹特征量没有显著影响,但沙粒偏离XY平面的偏离距离和偏离角的绝对值随起跳角速度绝对值的增加而增大。因此,沙粒起跳旋转状态对其跃移轨迹有重要的影响。     

Wind tunnel experimental investigation of sand velocity in aeolian sand transport

Sand velocity in aeolian sand transport was measured using the laser Doppler technique of PDPA (Phase Doppler Particle Analyzer) in a wind tunnel. The sand velocity profile, probability distribution of particle velocity, particle velocity fluctuation and particle turbulence were analyzed in detail. The experimental results verified that the sand horizontal velocity profile can be expressed by a logarithmic function above 0.01 m, while a deviation occurs below 0.01 m. The mean vertical velocity of grains generally ranges from − 0.2 m/s to 0.2 m/s, and is downward at the lower height, upward at the higher height. The probability distributions of the horizontal velocity of ascending and descending particles have a typical peak and are right-skewed at a height of 4 mm in the lower part of saltation layer. The vertical profile of the horizontal RMS velocity fluctuation of particles shows a single peak. The horizontal RMS velocity fluctuation of sand particles is generally larger than the vertical RMS velocity fluctuation. The RMS velocity fluctuations of grains in both horizontal and vertical directions increase with wind velocity. The particle turbulence intensity decreases with height. The present investigation is helpful in understanding the sand movement mechanism in windblown sand transport and also provides a reference for the study of blowing sand velocity.     

含尘大气近地层流底层流动特性及其摩阻系数

采用双向耦合的双流体模型,研究了大气悬浮沙尘的存在对大气边界层中层流底层流动特性及摩阻系数的影响,计算并讨论了不同沙尘含量下含尘大气相对于无尘大气摩阻系数的变化。结果表明:摩阻系数的变化取决于悬浮沙尘的初始运动状态和质量载荷率     

非均匀沙的跃移计算

 为研究更加接近实际情况的风沙运动,并为实验研究提供一些理论分析和数值资料,本研究用数值计算的方法模拟了几种不同粒径分布方式相应的风沙跃移运动。分别计算了沙粒为单一粒径,以及粒径数学期望为该值时的伪随机分布和均匀分布共7种情况下的风沙跃移运动。计算结果表明,对于相同风速,气流对单一粒径组成的均匀沙的携带能力较弱,而对由多粒径组成的非均匀沙的携带能力较强。同时,因沙粒粒径组成的改变导致当跃移运动达到饱和时,风沙流饱和层的高度和沙粒的跃移长度、高度均有所变化。