大气边界层中单颗沙粒跃移数值模拟[论文]
地形大气边界层的有限元数值模式
地形大气边界层的有限元数值模式
胡非
【期刊名称】《自然杂志》
【年(卷),期】1986(000)007
【摘要】大气边界层内的湍流运动是非常复杂的,人们广泛开展数值研究,使用得最多的是差分法.然而,差分法在处理不规则的边界条件时遇到了极大的困难.为了克服这一困难,作者利用有限元方法,从二维定常不可压湍流
【总页数】2页(P557-558)
【作者】胡非
【作者单位】中国科学院兰州高原大气研究所
【正文语种】中文
【中图分类】P4
【相关文献】
1.海岸地区大气边界层数值模拟的有限元方法 [J], 陆全明;姚克亚
2.一维大气边界层二阶闭合的有限元数值模式 I.对流边界层模拟 [J], 郭振海;陈重;张宏升
3.一个描述小尺度深凹地形大气边界层的数值模式及数值模拟试验 [J], 石勇;蒋维楣
4.地形对边界层影响的有限元数值模式 [J], 胡非
5.小尺度深凹地形大气边界层流场演变过程的非静力数值模拟研究 [J], 石勇;蒋维楣
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跃移雪颗粒运动特性的数值模拟研究
关键词 ： 拉格 朗 日方法 ； 跃 移轨迹 ；质量传输率 ；数值模 拟
中 图分 类 号 ： ＴＵ３ １ ２ 文 献标 志码 ：Ａ
风致积雪 运动 的基本 过程 按雪 粒 离开 地 面 的程
移颗粒运行轨迹进行 了数 值计算． 同时 ， 结 合颗 粒 的受 力特
征， 对影响其运动的一些参数 ， 如粒子直 径、 摩擦 速度和颗粒 密度等进行 了分 析． 结 果表 明， 随着 雪颗 粒直径 或雪 粒密度 的增大 ， 粒子竖向受力 与重力 之 比减 小 ， 粒子 的跃移 高度 则 随之增 大 ； 而 当粒子起 跳速度 不 同时， 水 平方 向受力 与重 力 之 比的变化 规律也表现不 同， 进而影响其水平 方 向的跃 移长 度． 基于经验公式 ， 建立 了雪面侵蚀 质 量通量 与跃移 粒 子数 目之间的关 系 ， 计算 了雪颗粒 质量传 输率 ， 并 与经典 文献 的 度的增大 ， 粒子质量 传输率 随之增 大 ； 随着 阈值摩 擦速 度增 大， 粒子质量传输率随之减小． 所得计算 结果与 Ｉ ｖ ｅ ｒ ｓ ｅ ｎ经验
周 暄毅 ， 刘长卿 ， 顾 明
（ 同济大学 土木工程 防灾 国家重点实验室， 上海 ２ ０ ０ ０ ９ ２ ）
摘要 ： 运用拉格 朗 日方法 ， 根据雪颗粒 的运动机理 ， 对单个跃
ｓ ｎ ｏ ｗ ｓ ｕ ｒ ｆ ａ ｃ ｅ ｅ ｒ ｏ ｓ ｉ ｏ ｎ ａ ｎ ｄ ｔ ｈ ｅ ｎ ｕ ｍｂ ｅｒ ｏ ｆ ａｌＳ ａｔ ｔ ｉ ｏ ｎ ｐ ａ ｒ ｔ ｉ ｃ ｌ ｅ ｓ ｉ Ｓ
公式吻合较好．
ｅ ｓ ｔ ａ ｂ ｌ ｉ ｓ ｈ ｅ ｄ ｔ ｏ ｃ ａ ｌ ｃ ｕ ｌ ａ ｔ ｅ ｔ ｈｅ ｍａ ｓ ｓ ｔ ｒ ａ ｎ ｓ ｐ ｏ ｒ ｔ ｒ ａ ｔ ｅ ｏ ｆ ｓ ｎ ｏ ｗ ｐ ａ ｒ ｔ ｉ ｃ ｌ ｅ ｓ ．Ａ ｎ ｄ ｔ ｈ ｅ ｃ ａ ｌ ｃ ｕ ｌ ａ ｔ ｉ ｏ ｎ ｒ ｅ ｓ ｕ ｌ ｔ ｓ ａ ｒ ｅ ｃ ｏ ｍｐ ａ ｒ ｅ ｄ ｗｉ ｔ ｈ ｔ ｈ ｅ ａｌ ｃ ｃ ｕ ｌ ａ ｔ ｅ ｄ ｒ ｅ ｓ ｕ ｌ ｔ ｓ ｂ ｙ ａ ｃ ｌ ａ ｓｉ ｃ ａ ｌ ｅ ｍｐ ｉ ｒ ｉ ｃ ａ ｌ ｆ ｏ ｍ ｕ ｒ ｌ ａ ． Ｔｈ ｅ
中尺度大气数值模拟及其进展
中尺度大气数值模拟及其进展中尺度大气数值模拟及其进展中尺度大气数值模拟是指对中尺度大气运动、湍流、边界层、云微物理、辐射传输等过程进行数值模拟的一种方法。
近年来，随着计算机技术的快速发展和观测技术的不断进步，中尺度大气数值模拟的研究已经取得了许多重要的进展，对于气象预报、气候变化研究和环境污染预测等方面都起到了重要的作用。
中尺度大气数值模拟的目标是通过计算空间和时间上的大量物理量，来模拟和预测中尺度大气运动过程。
中尺度大气运动是指介于大尺度天气系统和小尺度湍流系统之间的系统，其典型特征是空间尺度在几十公里到几百公里之间，时间尺度在几分钟到几小时之间。
中尺度大气运动包括了许多重要的现象，如大气锋面、对流云团、飑线等，对于气象预报和气候变化研究具有重要的意义。
中尺度大气数值模拟的基本原理是通过数值方法将大气方程离散化，并通过数值解算得到大气运动的演化过程。
其中，最常用的模型是基于Navier-Stokes方程的大气动力学模型，通过有限差分、谱方法等数值技术对方程进行求解。
此外，为了更好地模拟大气过程，中尺度大气数值模拟还必须考虑到湍流的影响，湍流参数化是其中的关键技术之一。
近年来，随着计算机技术的不断进步，中尺度大气数值模拟的能力也得到了极大的提高。
传统的数值模拟方法需要通过将整个大气划分成若干个网格，然后分别对每个网格进行计算，这种方法在计算量和存储空间上都有较大的挑战。
为了克服这些问题，新型的数值模拟方法应运而生，如有限元方法、有限体积方法和伪谱法等。
这些方法可以更好地处理复杂的地形、不均匀的边界条件和非线性问题，提高了数值模拟的计算效率和精度。
除了数值方法的发展，观测技术的进步也为中尺度大气数值模拟提供了更多的观测数据，从而提高了数值模拟的准确性和可靠性。
现代大气观测技术，如雷达、卫星和飞机观测等，可以提供高时空分辨率的大气观测数据，在验证和改进数值模拟模型方面发挥重要作用。
此外，数据同化技术的应用也为中尺度大气数值模拟提供了新的思路和方法，通过将观测数据与数值模拟结果进行融合，可以进一步提高数值模拟的准确性和预报能力。
风沙跃移运动发展过程的离散动力学模拟
文章编号:10002694X (2006)0120047207风沙跃移运动发展过程的离散动力学模拟 收稿日期:2004206220;改回日期:2004210218 基金项目:国家自然科学基金重点项目(10532040);国家杰出青年基金和教育部重点科技项目共同资助 作者简介:李万清(1979—),男(满族),辽宁抚顺人,在读硕士,主要从事风沙发展过程并行模拟研究。
E 2mail :limq 02@ 李万清,周又和,郑晓静(西部灾害与环境力学教育部重点实验室&兰州大学力学系,甘肃兰州 730000)摘 要:采用类似分子动力学的离散方法对二维风沙跃移过程运用高性能并行计算进行理论模拟。
在本模拟模型中,考虑了沙粒与床面的碰撞、跃移沙粒与气流的相互作用等基本力学过程组成的复杂系统。
通过并行运算技术使计算沙粒数达到72000的巨量计算得以实现。
初步结果显示:自然跃移运动的基本特征如风沙流层内输沙率廓线可以较为成功的得以模拟。
关键词:风沙跃移运动,沙波纹,碰撞,沙粒与气流耦合,沙粒散体,并行计算与模拟中图分类号:V 211+P 931.3文献标识码:A 风沙运动的力学机理研究一直是沙漠化物理过程研究的重点课题,是认识沙粒迁移、沙漠扩展与开展防沙治沙工程的基础[1～5]。
沙粒与风的相互作用使沙粒获得能量与动量后,在重力作用下又下落回地面,与床面发生碰撞后,重新激发新的沙粒进入气流层。
目前,风沙流或风沙运动主要分为沙粒在地表面上的蠕移、离开地表面在近地层内的跃移、以及跟随大气流动进入大气层的悬移。
除了后者在沙尘暴发生时占主导地位外,绝大多数的沙漠化过程是与沙粒跃移运动并伴随着蠕移运动密切相关联的[6,7]。
风沙运动的研究主要分为实验研究与理论分析[7～11]。
在理论分析中,虽然对单一沙粒的运动可以采用力学分析方法建立基本的分析模式,但对于数目巨大的沙粒流而言,如何建立反映真实风沙运动的计算模型就一直是风沙运动物理机制研究的难题与重点课题[1,4,5]。
利用WRF对兰州冬季大气边界层的数值模拟
利用WRF对兰州冬季大气边界层的数值模拟【引言】大气边界层是大气与地面互相作用的区域，在气象学和气候学中具有重要的探究意义。
兰州作为中国西北地区的重要城市，其冬季大气边界层的特征对于了解该地区的气候变化及大气污染扩散机理具有重要意义。
本文将利用WRF(Weather Research and Forecasting Model)模型对兰州冬季大气边界层进行数值模拟，并对模拟结果进行详尽分析，从而揭示兰州冬季大气边界层的特征及其影响因素，为该地区的大气环境管理和气候猜测提供参考。
【方法】本文使用WRF模型对兰州2019年12月至2020年2月冬季大气边界层进行数值模拟。
WRF模式是由美国国家大气探究中心（NCAR）和美国国家海洋和大气管理局（NOAA）共同研发的一种大气模式，具有广泛应用于天气预报和气候探究领域的优势。
在本文中，利用WRF版本3.9.1对兰州地区进行了一套完整的数值模拟试验。
【结果】通过对模拟结果的分析，我们得到了兰州冬季大气边界层的变化特征。
在兰州冬季大气边界层顶部高度上，随着时间的推移，边界层高度有明显的变化。
兰州冬季大气边界层高度大约在200-400米之间，最高峰出此刻早晨8点左右，最低点出此刻晚上8点左右。
边界层高度的变化受到气温、风速、地形等多种因素的影响。
同时，我们还发现兰州冬季大气边界层的温度和湿度的变化特征。
在边界层上部，温度随着高度的提高而逐渐降低，这与兰州冬季的温度垂直分布特征一致。
湿度方面，边界层内湿度比较高，尤其是靠近地面处，这与兰州冬季的湿度分布特征相符。
此外，我们还通过对模拟结果的敏感性试验，初步探讨了影响兰州冬季大气边界层的关键因素。
其中，地表热通量、风速、地形及初始条件都对边界层的高度和结构产生较大的影响。
模拟结果表明，兰州冬季大气边界层的高度和结构主要受到地表热通量和风速的影响。
【谈论】本文利用WRF模型对兰州冬季大气边界层进行了数值模拟，并得到了边界层高度、温度和湿度的变化特征。
大气边界层流变对大气扩散影响的数值模拟研究
大气边界层流变对大气扩散影响的数值模拟研究大气边界层是大气系统中从地球表面到一定高度之间的一个区域。
它的存在对于大气的扩散和传输起着重要的作用。
在大气边界层中，由于大气的流动和扩散受到地表的影响，流场的变化对于气体的扩散具有很大的影响。
因此，对大气边界层流变对大气扩散影响的数值模拟研究具有重要意义。
为了研究大气边界层流变对大气扩散的影响，研究人员借助计算流体力学中的数值模拟方法来模拟大气运动。
数值模拟方法可以将大气边界层的运动细节进行精确表示，从而更好地理解和揭示大气扩散的机制。
大气边界层中的流变特性对于大气扩散有着直接的影响。
在数值模拟中，流体的运动状态可以通过数值方法进行描述。
通过数值方法计算得到的流场特征可以用来分析大气中的气体扩散情况。
在数值模拟中，常常使用流体动力学方程组来描述大气运动，包括连续性方程、动量方程和能量方程。
在数值模拟中，通过对流体运动方程进行数值求解，可以得到大气中各个位置的流场信息，如流速、流向和流动状态等。
通过对得到的流场信息进行分析，可以揭示大气边界层流变对于大气扩散的影响。
大气边界层流变对大气扩散的影响主要有两个方面。
首先，大气边界层流变可以直接影响大气中气体的扩散速度。
流场的变化会改变气体的运动轨迹，使得高浓度区域的气体向低浓度区域扩散。
其次，大气边界层流变还可以通过影响湍流的发展来影响气体的扩散。
湍流的出现会增加气体的传输效率，从而加快气体扩散的速度。
为了更好地理解大气边界层中流变对大气扩散的影响，研究人员常常开展模拟实验。
在模拟实验中，可以通过改变流场参数或者边界条件来研究流变对扩散的影响。
通过对比不同模拟实验结果，可以得出大气边界层流变对于大气扩散的影响程度。
数值模拟研究不仅可以揭示大气边界层流变对大气扩散的影响，还可以为大气污染防治提供参考依据。
通过模拟实验，可以研究不同大气污染物在不同流变条件下的扩散情况，从而预测大气污染物扩散的程度和范围。
这对于制定科学合理的大气污染防治策略具有重要意义。
风成跃移模拟的一种数值方法
风成跃移模拟的一种数值方法赵永利;金明【摘要】在Ungar模型的理论基础上,给出吹过无限大平坦沙床面的稳定风场中,风和跃移沙粒相互耦合作用下沙粒二维跃移轨迹的一种计算格式,并利用给出的计算格式对模型进行求解.通过预先设定沙粒起跳速度大小和方向,调整跃移轨迹顶端沙粒水平速度和最大跃移高度,使计算得出的沙粒起跳速度与设定值吻合,以此确定沙粒跃移轨迹,这种计算格式可以计算任意起跃角和任意起跳速度沙粒的跃移轨迹.计算结果与Ungar模型的计算结果非常吻合,这一计算格式拓展了风沙跃移数值模拟的计算方法.%A new numerical scheme for coupled equations of steady state saltation movement over an infinite plane is presented. This scheme is based on Ungar's simplified model of the grain-surface impact process. Saltation trajectory with different ejecting angle can be obtained by using this scheme. The numerical results show that this numerical scheme corresponds well with that of Ungar. Hence, and it expanded the practicable numerical scheme for aeolian saltation simulation.【期刊名称】《北京交通大学学报》【年(卷),期】2011(035)004【总页数】4页(P116-119)【关键词】风沙运动;砂粒跃移;数值模拟【作者】赵永利;金明【作者单位】北京交通大学土木建筑工程学院,北京100044;北京交通大学土木建筑工程学院,北京100044【正文语种】中文【中图分类】O359沙粒的运动轨迹是风沙运动的基本问题，是人们认识沙丘运动规律的基础.国内外已有不少学者进行了大量研究[1-6]，以探讨不同大气环境下沙粒的起动和跃移过程及与风成地貌的关系.在这些研究中，多数考虑重力和风的拖曳力这两种最重要的作用力.Ungar[4]提出了单颗沙粒在二维稳定风沙跃移运动中的轨迹数值模型，这一模型虽然对风沙跃移运动过程作了较大的简化，但它揭示了风与沙粒相互耦合时跃移层的许多基本特征，对于认识风沙运动的力学机理提供了一种可能的途径.但Ungar只给出了垂直起跳的计算结果，在风和其他因素的影响下，沙粒不只限于垂直起跳，沙粒的运动轨迹也不一定和垂直起跳时相同，因而有必要研究沙粒以其他角度起跳的运动轨迹.考虑在无限大平坦沙地y=0(y坐标正向取为与重力方向相反，沙床面坐标取y=0)上，在沿水平x方向的风力作用下风沙流为定常稳态的二维运动.沙粒的几何形状为球形，且直径相同.在分析其跃移运动时，考虑沙粒受重力场 W及与风场u(y)的相互作用，如图1所示.沙粒在风场受到的有效重力为减去部分为沙粒受到的空气浮力.式中:D为沙粒的直径;ρp为沙粒的密度;ρ为风的密度;g为重力加速度.风对沙粒的拖曳力FD可表示为[4，7]式中:V r为以风作动参考系沙粒对风的相对速度;x、y为沙粒位置坐标;u为x方向风速.CD为阻力系数，可采用经验公式计算[4，8]式中:Re为雷诺数;ν为风的运动黏性系数.根据对沙粒的受力分析，得沙粒运动方程[9]为式中:fx、fy分别表示作用在沙粒上的合力在x、y方向上的分量m¨x、m¨y.利用式(1)和式(2)，式(6)和式(7)可以写为风在水平方向的Navier-Stokes方程为式中c-1k=0.4为冯卡门常数.根据牛顿第三定律，沙粒对单位体积风的作用力为式中:s为床面起沙率，即单位时间内从单位面积沙床面上起跳的沙粒数.任意一颗跃移沙粒在一次完整跃移过程中会穿过同一高度两次，一次在上升阶段，另一次在下降阶段，分别用下标符号↑和↓表示.将式(8)、式(9)代入式(11)，再代入式(10)，得出风沙流中风的运动方程记y0为床面粗糙度，在一般情形下，y0可取为.对应于风沙流中风的运动方程式(12)，边界条件取为式中:ux1和 uy1分别为沙粒在起跳时水平和竖直方向速度分量，记它们都是跃移层顶端风速 u的函数;u b为对应于某种初始条件下的床面风速，通常不是零，Ungar的模型认为床面风速为零;u*为摩阻速度.沙粒运动方程式(8)、式(9)的初始条件为t=0时，于是，式(8)、式(9)与式(12)在边界条件式(13)、式(14)与初始条件式(15)下构成了风沙二维稳态跃移运动的定解问题，这是一组风与沙粒运动相互耦合的非线性微分方程构成的定解问题.由风沙运动基本方程，给定沙粒在跃移轨迹顶端处的水平速度、风速、高度及床面起沙率，采用四阶龙格-库塔法对沙粒的运动方程进行数值求解，得到沙粒运动任意时刻的位置、速度和加速度，从而完全确定沙粒在空中的运动状态.当风沙跃移运动达到稳定状态时，一般可以认为从沙床进入跃移层的沙粒数与从跃移层落到沙床的沙粒数相同.具体步骤如下:1)设定高度步长，这里取为10-6 m;2)给定沙粒直径D、床面起沙率s和跃移轨迹顶端处风速u;3)界定一种床面边界条件，给出床面风速 u b，给出沙粒起跳速度ux1和 uy1;4)调整跃移轨迹顶端处沙粒水平速度 ux0和最大跃移高度H，使沙粒起跳速度等于步骤3)给定的初值，得到确定的 ux0、H的数值，从而可以确定完整的沙粒跃移运动轨迹.原始参数 D=0.25 mm，ρp=2.65 kg/m3，ρ=1.205 9 kg/m3，并确保在沙床表面沙粒起跳处 ux1=0，uy1=0.45 m/s，u b=0，与 Ungar模型取的相关参数一致，以便于比较.计算结果见图2和图3，得到沙粒的跃移高度H=8.7mm，跃移层顶端处风速u=3.41m/s，跃移轨迹顶端处沙粒水平速度 ux0=0.713 m/s，床面起沙率s=1.0×106 m-2 s-1.在稳态情形下，沙粒跃移轨迹和风速廓线与相同参数下Ungar的计算结果非常吻合.由此可见，本文的计算格式是合理和可取的.起跳角度不同，沙粒的跃移轨迹随之不同.本文计算格式是从沙粒跃移轨迹顶端开始，分左、右两支来追溯沙粒的跃移轨迹，与Ungar的情形相比，沙粒跃移轨迹的起点与落点的横坐标也就不同.按照本文给出的定解条件和计算格式，计算沙粒粒径D分别为0.10mm、0.15 mm和0.25mm，跃移层顶端风速 u分别为3 m/s、5 m/s和8 m/s时，沙粒跃移高度H、跃移层顶端沙粒水平速度ux0及满足此种给定条件下的床面起沙率s，见表1.其中:V p为沙粒起跳的绝对速度;β为起跃角.由表1可以看出，随着沙粒粒径D的增大，跃移距离L越大，跃移高度H越大，跃移层顶端沙粒水平速度ux0越小，床面起沙率 s越小.跃移层顶端风速u对沙粒的跃移距离L有着重要影响，因为风速u越大，沙粒就越可以受到气流的更加充分的加速.跃移层顶端沙粒的水平速度对跃移距离也有一定的影响，但是相对风速的影响要小.这是因为，一般沙粒的跃移层上方水平速度较之风速要小得多，沙粒在刚刚起跃后就会在水平方向具有很大的加速度，并在较短的时间内水平速度增加很快，因此沙粒的水平速度的差异所造成的影响自然就显得较小.对沙粒跃移高度 H影响最大的物理量是沙粒粒径D，这是因为同样的跃移层上方风速u使得沙粒在床面具有同样的初速度ux1，但粒径较大的沙粒的动量也较大，要消耗掉所挟带的动量，必然会达到较高的跃移高度才会降落.图4～图6为不同粒径D、不同风速 u条件下，沙粒跃移运动轨迹.可见，在保持其他条件都不变的情况下，沙粒粒径D每增加0.05mm，都会导致沙粒的跃移高度H大幅度的增加. 给出沙粒跃移轨迹的新的计算格式，从跃移层顶端位置算起，以两支曲线表述任意角度起跳的沙粒的跃移轨迹，左支追溯沙粒上升历程，右支表达沙粒下降历程，跃移轨迹及沙粒对风速廓线的影响的计算结果与Ungar的结果吻合良好.跃移层顶端风速对沙粒的跃移距离有着重要影响，风速越大，沙粒的跃移距离越大.沙粒粒径对沙粒跃移高度的影响最大，同等条件下，粒径越大，跃移高度越大.风沙流场是一个多场耦合的复杂动力学系统，本文的研究工作是基于相对理想条件下进行的，在下一步的研究工作中，将在本文工作基础上考虑沙粒在激溅过程中的沙粒-沙床碰撞和沙粒的空中碰撞对沙粒跃移运动的影响，考虑Magnus效应，考虑三维非定常湍流风场对沙粒跃移运动的影响，建立更加符合实际的、较为全面的风沙流场模型及沙粒的受力体系.致谢:感谢高玉臣院士生前对本文的悉心指导.【相关文献】[1]Bagnold R A.The physics ofb low n sand and desert dunes[M].London:Methuen，1941.[2]Anderson R S，Haff P K.Simulation of eolian saltation[J].Science，1988 ，241:820-823.[3]W erner B T.A steady-state model of wind-blow n sand transport[J].Journal of Geology，1990，98(1):1-17.[4]Ungar J E，Haff P K.Steady state saltation in air[J].Sedimentology，1987，34:289-299.[5]黄宁，郑晓静.风沙跃移运动中的Magnus效应[J].兰州大学学报:自然科学版，2001，37(3):19-25.HUANG Ning，ZHENG Xiaojing.Magnus effect in windb lown sand saltation[J].Journal of Lanzhou University:Natural Sciences，2001，37(3):19-25.(in Chinese)[6]钱宁，万兆惠.泥沙运动力学[M].北京:科学出版社，2003.CHIEN Ning，WANZhaohui.Sediment movement mechanics[M].Beijing:Science Press，2003.(in Chinese) [7]Anderson R S，Haff P K.Wind modification and bed response during saltation of sand in air[J].A cta Mechanica，1991(Supp.1):21-25.[8]White FM.Viscous fluid flow[M].New York:M cGraw-H ill Book Company，1991.[9]黄宁.沙粒带电及风沙电场对风沙跃移运动影响的研究[D].兰州:兰州大学，2002.HUANG Ning.Electrification in wind-b low n sand flux and its influence to w ind-blow n sand saltation[D].Lanzhou:Lanzhou University，2002.(in Chinese)。
大气边界层中单颗沙粒跃移的数值模拟
大气边界层中单颗沙粒跃移的数值模拟风沙运动主要有三种形式：即跃移、悬移和蠕移。
自Bagnold以来风沙运动的研究主要是从室内试验和现场观测两种途径进行的，近年来数值模拟研究开始出现。
Bagnold发现粒径为0.1～0.15 mm的泥沙最容易以跃移的形式运动，小于0.1 mm的泥沙容易以悬移的形式运动，大于0.15 mm的泥沙颗粒容易发生蠕移。
吴正从单个颗粒受力运动特性方面研究了单颗粒沙在风中的运动，并计算了沙土颗粒所能达到的距离和高度。
柏实义根据连续介质理论的双流体模型建立了宏观气固两相流体模拟方程组。
黄社华等通过研究和比较稀疏刚性颗粒相对运动时的受力，并对不同流动条件下各力的修正进行了讨论，从而得到了任意流场中稀疏颗粒运动方程的一般形式。
陈强等研究了在阵风条件下悬浮沙尘的运动轨迹，得出了在空气粘性阻力作用下沙尘悬移可能转化为跃移的现象。
王柏懿等在考虑重力、拖曳力和Saffman力的作用下沙粒的运动方程，对高度十米处平均风速为30m/s和10m/s两种风速和四种粒径情况下的沙粒运动进行了模拟。
本文将在文献的结论下，研究粒径在0.05mm到0.5mm范围内的沙粒，在含尘大气边界层中运动过程中，各运动参数的变化对沙粒跃移运动轨迹的影响。
2 风沙流中颗粒的受力分析根据文献沙粒在跃移过程中受到的力主要有：有效重力、拖曳力、Magnus力、Saffman力等。
为了便于研究，假设沙粒是粒径为D、质量为m的刚性球体，忽略颗粒间撞击作用，风速方向平行于地面。
3 数值模拟及其分析4 小结本文通过对沙粒在跃移过程中的受力分析，建立沙粒跃移的单颗沙粒运动方程。
并在此基础上进行了数值模拟，得到了如下结论：（1）在同等条件下，摩阻速度越大，沙粒的跃距越大，跃高越小。
这是由于风速变大后，影响了相对速度的大小和方向，进而对拖曳力造成了影响，而拖曳力又是沙粒跃移运动中起主要作用的力。
同时气流剪切作用降低，Magnus力会变小也是原因之一。
非均匀下垫面大气边界层的数值模拟
非均匀下垫面大气边界层的数值模拟
《非均匀下垫面大气边界层的数值模拟》是涉及大气边界层科学和工程的重要研究主题。
它涉及描述和解决边界层中的复杂流动物理现象的数学模型的研究，以改进大气环境管理。
为了很好地理解和掌握大气边界层的物理过程，必须对大气边界层中的流动物理过程进行有效的数值模拟。
大气边界层的特性决定了它是一个复杂的系统，其中受非均匀下垫面影响的大气层特征显著变化。
下垫面特征包括坡度、坡向、粗糙度、孔隙性、表面粘性和表面热性等。
它们成为影响大气边界层流动特性的重要因素，对大气环境和生态系统也具有重要影响。
因此，研究非均匀下垫面大气边界层的数值模拟成为一个重要的课题。
研究这种包含复杂三维流动的数值模型，一方面可以更深入地理解大气边界层的物理过程，另一方面可以更准确地估计大气边界层中的流动特性，从而为优化大气环境管理提供可靠的支持。
本文首先回顾了大气边界层中的流动物理过程，介绍了下垫面特征对大气边界层的影响，并介绍了有关参数化的常规方法。
然后，文章综述了近年来数值模拟非均匀下垫面大气边界层的相关研究，包括流场地形特征参数化、气象学参数化和边界层表面参数化等。
最后，本文讨论了模拟非均匀下垫面大气边界层研究中存在的困难，提出了可能的解决措施，并对未来发展趋势、应用前景和研究展望作出简要展望。
- 1 -。
风沙跃移中颗粒冲击起动的数值模拟
风沙跃移中颗粒冲击起动的数值模拟
亢力强;郭烈锦
【期刊名称】《自然科学进展》
【年(卷),期】2005(015)002
【摘要】采用考虑颗粒碰撞的Euler-Lagrange数值模拟方法,对风沙跃移中颗粒冲击起动过程进行了数值计算.在模型中,把气相视为连续介质,在Euler坐标中建立控制方程,对离散颗粒采用Lagrange方法模拟,颗粒间的相互碰撞作用采用软球模型描述.计算结果表明该模型可以模拟出风沙运动中颗粒冲击床面的动态起跳过程,并且与均匀平整床面相比,在非均匀床面上的颗粒更易碰撞起跳,也更具有随机性.这进一步揭示了风沙运动中颗粒碰撞起跳机理.
【总页数】5页(P252-256)
【作者】亢力强;郭烈锦
【作者单位】西安交通大学动力工程多相流国家重点实验室,西安,710049;西安交通大学动力工程多相流国家重点实验室,西安,710049
【正文语种】中文
【中图分类】N42
【相关文献】
1.风沙跃移运动的数值模拟 [J], 刘博;黄新成;王旭峰;蒋建云;何欢欢
2.风沙跃移运动发展过程及静电力影响的数值模拟 [J], 黄宁;郑晓静
3.风沙流中颗粒跃移研究的某些进展与问题 [J], 杨保;邹学勇;董光荣
4.风沙跃移中颗粒与多粒径床面碰撞的数值模拟 [J], 亢力强;郭烈锦
5.风沙跃移轨迹的DPM数值模拟 [J], 蒋建云;刘博;王旭峰;熊英;黄新成
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跃移沙粒轨迹参数研究现状的论述
跃移沙粒轨迹参数研究现状的论述作者：李萍梅凡民来源：《绿色科技》2014年第11期摘要：介绍了国内外对跃移沙粒轨迹参数的研究现状，指出了造成跃移沙粒轨迹多样性的原因有许多，但主要与沙粒的起跳角、起跳速度、降落角、降落速度、跃移高度和跃移距离这些参数有关。
采用数值模拟、野外和沙风洞实验3种不同的研究方法对跃移沙粒轨迹参数进行了综合论述，发现了实验过程中的局限性，为之后的研究提供参考。
关键词：跃移沙粒；轨迹参数；轨迹多样性；局限性1引言在风沙问题的研究中，单个颗粒的运动特性是最基本的课题，拜格诺早在1941年就指出，要推进风沙物理的知识必须从单一颗粒在风中运动着手。
在风沙运动中，沙粒的跃移运动是风沙流中沙粒运动的主要形式，约占运动沙粒总量的75%，已有不少学者对沙粒跃移运动展开了大量的实验和理论分析。
随着高速摄影技术、多普勒激光测速以及粒子图像测速技术的发展，研究者们对单颗跃移粒子的轨迹特征问题有了更加精准的看法和分类。
跃移沙粒的典型运动轨迹，其涉及的主要几何参数有起跳角、起跳速度、下落角、下落速度、跃移高度和跃移距离等。
对这些参数的研究能使我们对跃移粒子的轨迹特征了解的更加深刻透彻，而本文就从3种不同的研究方法对轨迹参数进行综合的论述。
2数值模拟刘绍中、杨邵华等人（1985）计算了近地面湍流边界层的速度分布，建立了沙粒跃移运动的模型，并且用数值分析的方法研究了跃移运动的规律[1]。
2000年孙其诚、王光谦等人对沙粒的起跃进行了动态模拟，他们以10-6秒为时间步长精细模拟了被碰沙粒起跃的全过程[2]。
2001年，他们根据沙粒在不同过程下的受力特点，建立了模拟风沙运动的二维离散颗粒动力学模型，模拟了4000个沙粒在风力作用下由静止不动到充分发展的全过程 [3]。
同年他们还建立了基于单沙粒动力学的离散颗粒动力学模型，模拟了9000个沙粒在风力作用下由静止不动到充分发展的稳定态的全过程[4]。
西安交通大学的邢茂、郭烈锦（2003）运用颗粒-流体二相流的随机行走扩散模型（DRW）研究了紊流风场下起跳沙粒的运动轨迹特征[5]。
风沙跃移轨迹的DPM数值模拟
0 引言
风沙运动对环境具有非常严重的破坏性，尤 其是对沙漠化起到了重要的作用。在风沙运动 的作用下，沙漠中沙丘不断随风移动，沙粒向四 周扩散，导致沙漠面积每年都在以 2460 kห้องสมุดไป่ตู้2的速 度不断增长。同时由风沙运动而引起的一些环 境问题如：土地沙漠化，沙尘暴等造成了严重的
环境污染和经济损失 。 [1] 由于风沙运动的复杂 性 ，目 前 对 风 沙 运 动 的 研 究 方 法 主 要 为 野 外 观 测、风洞试验和通过建模进行仿真模拟，对风沙 运动的规律以及运动过程中沙粒受力情况进行 研究。
随着研究风沙运动的仿真模型不断的完善， 目前模拟结果最为接近风沙运动实际情况的模 型为 DPM（离散模型）[2]。通过 DPM 模型的颗粒
收稿日期：2014-05-07 基金项目：国家自然科学基金项目（11242013）。 作者简介：蒋建云（1989-），男，硕士研究生，研究方向为风沙作用下地膜破损机理研究。
摘 要：对风沙跃移运动采用离散模型进行数值计算，对沙粒相采用离散相模型（DPM 模型），研究沙粒 在跃移运动过程中的运动轨迹与摩阻风速及粒径大小的关系。模拟结果表明：随摩阻风速的增大，跃 移轨迹高度逐渐降低，跃移轨迹长度逐渐增长；随沙粒粒径的增大，跃移轨迹高度逐渐增大，跃移轨迹 长度逐渐缩短；跃移轨迹长度与跃移轨迹高度的比值（L/H）随摩阻风速的增大而增大，呈对数关系，随 沙粒粒径的增大而减小，呈幂函数关系。 关键词：数值模拟；DPM 模型；跃移轨迹
E-mail：jiangjianyun123@。 *通讯作者：E-mail:95631935@。
第 11 期
蒋建云等. 风沙跃移轨迹的 DPM 数值模拟
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运动方与时间的积分求解来推导颗粒的运动轨 迹形式，对于颗粒运动的研究 DPM 模型有两种方 式：稳态和非稳态追踪方式。稳态追踪主要用于 研究颗粒的运动轨迹，而非稳态主要用于研究某 一时刻全部颗粒的位置分布情况，根据研究颗粒 的不同情况来选择使用的颗粒积分计算方法。 李志强[3]等通过对颗粒相采用 DEM 模型对近床面 上沙粒在起动和落回沙床面上时的瞬间速度与 角度问题进行风沙三维运动数值模拟，认为沙粒 具有的动能偏向于垂直方向上，同时也指出当风 速增大时，沙粒的展向速度也会增大，并且变化 显著。马高生[4]等通过颗粒相采用 DEM 模型对沙 粒跃移过程中的输沙率进行了研究，结果表明当 风沙运动稳定时，不同截面输沙率与平均输沙率 随高度分布相差较大，并在大约距离沙床面 9 cm 处输沙率出现了极值情况。为研究跃移运动过 程中沙粒受到作用力对其运动的影响，胡赞远[5] 等研究了沙粒间的阻力情况，他们认为在沙粒前 面的沙粒对其影响非常大，而其后面的沙粒产生 的阻力影响较小。在风沙运动中，最前面的沙粒 受到的阻力最小，因而运动的距离最远。岳高伟[6] 等通过对沙粒旋转角速度进行研究，认为沙粒旋 转产生的 Magnus 效应对沙粒的运动轨迹和输沙 率等有较大的影响。郑晓静[7-9]等对沙粒带电现 象进行了研究，分析了沙粒带电对风沙运动的影 响，分析结果显示沙粒带电会使沙粒跃移轨迹增 强 20%左右。
大气边界层与风场特性的数值模拟与预测
大气边界层与风场特性的数值模拟与预测大气边界层是大气中重要的一部分，它与地面相接触并将地面特征和气象要素传递到大气中。
了解大气边界层的结构和风场特性对气象预测、空气质量评估等具有重要意义。
为了有效地模拟和预测大气边界层的风场特性，数值模拟方法成为了主要的研究手段之一。
大气边界层模拟的基本原理是通过求解Navier-Stokes方程来描述流体的运动，结合适当的参数化方案来模拟地面特征的贡献。
数值模拟方法的关键是建立准确的物理模型和高效的数值计算方法。
在大气边界层的数值模拟中，雷诺平均Navier-Stokes方程是基本方程之一。
它是通过对流场相关参数进行时间平均来消除涡旋和湍流的非定常性。
另一个重要的方程是湍流输运方程，描述了湍流动能的传输与消耗。
这些方程的求解需要采用适当的初始条件和边界条件。
大气边界层数值模拟中的一个重要问题是边界条件的设定。
由于大气边界层与地面接触，地面特征对边界条件的设置有着重要的影响。
一种常用的方法是在模拟中引入参数化方案，将地面特征的贡献以参数的形式体现出来。
例如，常用的地表粗糙度参数可以通过地表反射率和摩擦速度来计算。
数值模拟大气边界层风场特性的一个重要应用是气象预测。
气象预测的核心是对大气运动的数值模拟和预测。
通过对大气边界层的数值模拟，可以得到环流、风速等重要的气象参数，从而实现对未来气象变化的预测。
然而，大气边界层数值模拟和预测面临一些挑战。
首先，大气边界层是一个复杂的非线性系统，涉及到多个尺度的相互作用。
其次，边界条件的设定和参数化方案的选择也会对模拟结果产生影响。
此外，数值计算的稳定性和计算效率也是模拟中需要解决的问题。
为了克服这些挑战，研究者提出了许多改进的数值模拟方法。
例如，引入多尺度模拟方法可以更好地捕捉到大气边界层的尺度特征。
同时，通过数据同化技术将实测数据与数值模拟结果相结合，可以提高模拟和预测的准确性。
此外，随着计算机技术的进步，高性能计算平台也为大气边界层的数值模拟提供了更强的计算能力。
海上大气边界层模式的物理过程及其数值模拟研究
海上大气边界层模式的物理过程及其数值模拟研究海上大气边界层模式的物理过程及其数值模拟研究引言：海上气候是地球气候系统的重要组成部分。
其中，海上大气边界层的形成和演变对海洋风暴、海气相互作用和海洋资源的利用等有重要影响。
通过对海上大气边界层模式的研究，可以更好地了解其物理过程，并进行相关数值模拟，为海上气候变化、气象灾害预测和海洋资源开发等提供科学依据。
一、海上大气边界层模式的物理过程1. 大气边界层的定义大气边界层是地球表面与上层自由大气之间的过渡区域，其中发生的物理过程对气候和天气的变化具有重要影响。
2. 海上大气边界层的特点相比陆地上的大气边界层，海洋表面具有特殊的动力特性，如湍流的活跃度、水汽的释放和吸收等特点，在大气边界层模式中需要考虑海洋的影响。
3. 海上大气边界层的形成机制海洋表面温度和海洋表面粗糙度是海上大气边界层的主要形成机制。
海洋表面温度差异引起的大气运动和湍流是大气边界层形成的关键过程。
4. 海上大气边界层的演化过程海上大气边界层的演化受到气压梯度、温度和湿度差异等因素的影响。
随着时间推移，大气边界层的高度和其内部的湍流强度会发生变化。
二、海上大气边界层模式的数值模拟研究1. 数值模拟的意义通过数值模拟海上大气边界层的物理过程，可以更好地理解海气相互作用、气候变化和气象灾害的发生机制，并为预测和应对这些气候现象提供科学依据。
2. 基本原理海上大气边界层模式的数值模拟基于流体力学和热力学等物理原理，采用数学方程组对边界层内的运动、湍流和传输等过程进行描述和计算。
3. 模型的建立海上大气边界层模式的建立需要考虑海洋表面温度和粗糙度的影响，以及海气的相互作用等因素。
同时，还需要考虑数值计算的精确性和计算效率。
4. 数值模拟结果分析通过对数值模拟结果的分析，可以得到海上大气边界层的空间变化规律、时间演化趋势和气候特征等信息。
这些信息对海上气象和气候研究以及相关灾害预测和资源利用具有重要参考价值。
脉动风场下风沙流结构的数值模拟
No turbulence experiment
∫ Q(z)
=
1 6
πρg sD3
∞ 0
f
(v0
)[
x↑ z↑
(z, (z,
v0 v0
) )
−
x↓ (z, v0 z↓ (z, v0
) ) ]dv0
.
(8)
当风沙运动达到稳定平衡状态时，沙粒起跳速度分布函数f(v0)服从Gamma分布[13]，即：
5
脉动风场下风沙流结构的数值模拟1
闫光虎，武建军
（兰州大学西部灾害与环境力学教育部重点实验室，兰州大学土木工程与 力学学院，兰州，甘肃 730000）
Email:yanghu2005@
摘要：利用 Langevin 方程对风场水平脉动和垂向脉动的描述，研究了脉动风场下沙粒的
vx0 ,
dz dt
=
vz 0 ,
ω = ω0
，
(5)
⎪ ⎪z ⎪⎩
→∞:
zκ
du dz
= u*
其中，vx0和vz0为沙粒的初始起跳速度在水平和垂直方向上的分量，ω0为初始旋转角速度。
3. 脉动风场下沙粒的跃移运动轨迹
当摩阻风速u* = 0.32m/s时，利用方程(1)-(5)对脉动风场以及脉动风场下的沙粒跃移运动 轨迹进行数值模拟，所得结果分别示于图 1 和图 2。
高层建筑室外颗粒污染物扩散的数值模拟研究
高层建筑室外颗粒污染物扩散的数值模拟研究楚德见;金阿芳;沈广旭【摘要】环境污染问题越来越受到人们的关注,大气中颗粒污染物的不断增加导致雾霾天气频繁出现,已经影响到了人们健康,而随着高层建筑的大量出现,研究大气中的颗粒污染物对高层建筑中人们生活环境的影响有着比较重要的现实意义.本文基于有限元法,耦合欧拉-拉格朗日法(拉格朗日法对建筑物固体进行离散化,欧拉法对流体进行离散化),通过运用FLUENT软件,在简化模型的基础上采用标准k-ε模型,结合当地风场分布特点,分析了高层建筑室外不同风向流场的流动现象及速度、压力云图和颗粒污染物PM2.5的扩散分布,进行数值模拟.最终得到颗粒污染物PM2.5在不同楼层高度的分布特点,沿着楼层高度方向颗粒物浓度基本呈双峰分布,且随着建筑物高度的增加对周围空气流动的影响增强,在高层建筑物迎风面压力最大,以圆弧状逐渐减弱,背风面形成负压区,有回流现象.%The environmental pollution problem has increasingly drawn people's attention.The continuous increase of particulate pollutants in the atmosphere has caused hazy weather to appear frequently,which has affected people's health.With the emergence of high-rise buildings,particle pollutants in the atmosphere are studied in high-rise buildings.The influence of people's living environment in architecture has more important practical significance.This article based on the finite element method,coupled Euler-Lagrange method (Lagrange method discretization of building solids and Euler method discretization of fluids) these two methods combine to make the superiority of calculations more prominent.By using FLUENT software,the standard k-ε model is used on the basis of the simplified model whichcombines the local wind field distribution characteristics.Analyze the flow phenomena in different wind direction flow fields outside the high-rise buildings and the velocity,pressure cloud diagrams and the distribution of particle pollutants PM2.5 by using numerical simulationmethods.Finally,distribution characteristics of particle pollutants PM2.5 at different floor heights were attained.The concentration of particulate matter along the height of the floor was showing bimodal,and the influence of the high-rise building on the surrounding air flow was enhanced.The surface pressure is largest.Gradually weakening in an arc shape,forming a negative pressure zone on the leeward surface and there is backflow phenomenon.【期刊名称】《新疆大学学报（自然科学版）》【年(卷),期】2018(035)002【总页数】5页(P248-252)【关键词】高层建筑;FLUENT;数值模拟;PM2.5;网格法【作者】楚德见;金阿芳;沈广旭【作者单位】新疆大学机械工程学院,新疆乌鲁木齐830047;新疆大学机械工程学院,新疆乌鲁木齐830047;新疆大学机械工程学院,新疆乌鲁木齐830047【正文语种】中文【中图分类】TU130 引言随着科学的不断发展和人们生活水平的不断提高，近几年农村人口不断进入大城市，伴随而来的是住房的问题，因此有高层建筑的不断涌现．现在城市已经成为各国经济中心和生产力的增长点[1]，是各种能源消耗的主要地方，其中包括电力、各种化石燃料的燃烧，再加上城市车辆的不断猛增排放出颗粒污染物，是城市中PM2.5的主要来源[2]，导致城市雾霾不断出现，给人们的呼吸系统带来影响[3]，越来越受到人们的广泛关注．乌鲁木齐位于中国的西北部，地势起伏悬殊，山地面积广大，是世界上离海洋最远的内陆城市，生态系统比较脆弱，沙漠化比较严重，可利用的土地资源比较匮乏，带来了一系列的环境问题，受雾霾影响严重[4]，PM2.5浓度较高[5,6].高层建筑是现在大城市的典型建筑类型，大跨度超高密度建筑群的大量出现，将影响大气中的风环境，使得城市建筑中低层的风速减小并形成涡流现象，不利于空气中的颗粒污染物的扩散[7]，特别是高层建筑的背风侧会形成较大的回流区域[8]，造成局部空气的恶化，这个问题现在也越来越受到人们的关注.徐帆[9]、杨伦等[10]研究了瞬态风场对高层建筑模型周边的湍流效应，风洞实验对高层建筑风致耦合震动效应，分析了结构的震动响应和气动力随高度和时间的变化规律.崔鹏义[11]运用湍流RNG−ε模型、组分运输模型及多尺度方法，研究了高层建筑群四周街道上汽车尾气颗粒污染物在高层建间的对流扩散规律.pettersson[12]探讨了欧拉多相流方法，对多相流方程进行了改进，提高了高层建筑室外颗粒污染物扩散的计算精度.买买提明·艾尼[13]介绍了有关现代数值模拟方法和网格法研究成果，用有限元法、差分法和光滑粒子流体动力学方法探讨了现代模拟方法在模拟计算和工程中的应用.目前研究建筑物风环境的主要方法有风洞试验法和数值模拟法，分别被称为实验流体力学和计算流体力学.而风洞实验法成本高、花费代价高，测试结果难于广泛应用于工程实践.随着计算机的飞速发展，计算流体力学（CFD）技术已经在流体模拟的各领域获得广泛应用，其中FLUENT是国际公认的最强的计算流体力学软件之一，本文采用CFD数值模拟方法，在简化模型的基础上，基于有限元法和耦合欧拉-拉格朗日法，结合当地风场的分布特点[14]，分析了高层建筑室外风的流动现象及速度、压力云图和颗粒污染物PM2.5的分布对其进行数值模拟，总结出污染物颗粒的扩散规律.对生活在高层建筑中的人们和城市的建筑规划有着比较现实的指导意义.图1 计算域几何模型图2 计算域网格划分1 理论和方法1.1 问题的描述和网格的划分本文以新疆大学北校区为研究对象，通过对高层建筑物及其周围物体进行模型简化得到如图1所示的长方体计算区域.模拟区域内的建筑物包括高为76m的一栋高层楼房、11m的体育馆、15m的餐饮部和21m的一栋低层楼房住宅区.计算域为：长×宽×高=300×200×200m，分别对来自东南和西北两个方向的风场进行模拟. 目前ICEM CFD是CFD分析中最好的前处理器之一，在划分网格中有其独特的优点[15]．考虑到对建筑物周围的模拟精度，在划分网格时对建筑物进行加密处理，边界条件的定义也是在ICEM CFD中完成.最终生成的网格大约有250万，如图2所示，网格的密度完全符合模拟计算的要求，导入FLUENT中检查无误.1.2 边界条件和控制方程进口(inlet)的边界条件，采用FLUENT中的速度入口边界条件(velocity inlet)，通过UDF编程使大气在室外环境中来流按风廓线分布，即不同高度的来流速度呈现如下指数分布式中U10为距离地面10m高的来流速度，z为距离地面的高度，α为地面粗糙系数，这里取α=0.3；设定不同的风速变化，把空气视为不可压缩的气体.流动出口和大气压力相同，出口为自由出口(outf l ow).其他的面采用无滑移的壁面条件(wall).对于所模拟的颗粒污染物，启用FLUENT中离散相模型DPM(Discrete Phase Model)，在设定的风速、浓度和步长的条件下，自由随机扩散.对于风场的模拟是非稳态的，湍流模型采用标准k-ε模型，k方程、ε方程与动量方程、能量方程、连续相方程共同构成了空气流动与换热的基本控制方程.动量方程式中P为静压，τij为应力张量，ρgi是i方向的重力分量，Fi是由于阻力和能源而引起的其他能源项.应力张量由下式给出能量方程式中cp为比热容，T为温度，设为常温，k为流体的传热系数，设为20W/(m∧2∗K)，ST为流体为粘性作用的粘性耗散项.连续相方程式中ρ为流体的密度即空气的密度，ui为流体速度沿i方向的分量.k和ε是两个基本的未知量，对应的输运方程为[16]Gk是由于平均速度梯度引的湍流动能k的产生项Gb是由于浮力引起的湍流动能k的产生项式中cµ=0.09，湍流能k对应Prandtl数σk=1.0，耗散率ε对应的Prandtl数σε=1.3，c1=1.44，c2=1.92．YM代表可压湍流中脉动扩张的贡献，Sk和Si是自定义参数.2 结果分析2.1 速度和压力云图分析通过对不同风向（东南风、西北风）下的数值模拟，分析了建筑物风场的速度和压力分布.图3是风速为4m/s时，高度为21m（7层楼的高度处所在的截面）的速度云图，当风受到建筑物阻挡时风速变化最为剧烈，压力都为正压分布，逼近壁面时风速迅速减小并以弧状不断向外增加，从墙壁两侧面绕过，此时风速增强达到最大值，没有建筑物阻挡的地方风速变化很小.在建筑物背面由于墙面的阻挡风速流动小，风向的不稳定性也会出现风速增加的现象，背风区压力均为负压分布，对颗粒污染物的扩散有较大的影响，将不利于颗粒污染物的扩散.图3 Z=21m速度云图当遇到建筑物表面时，产生的压力最大，然后向外围以弧状逐渐减弱，在迎风面大多数产生正压区，在背风面大多数会产成负压区，有涡流出现并产生回流区，因背风面受风速的影响较小，空气流动小，将不利于颗粒污染物的扩散流动，在没有高层建筑阻挡的地方受压力的影响较小，图4为压力云图.图4 Z=21m压力云图2.2 颗粒污染物PM2.5的分布风场是影响颗粒污染物在空气中扩散的主要因素，在空气流动性好的空间内颗粒物的浓度较低，空气流动性差的空间颗粒物浓度升高.图5是所研究的高层建筑立面的速度风场受东南风影响时的速度云图，迎风面受到风场时，气流受迎风墙面的阻挡，风速度迅速减小，风向发生剧烈变化，沿背离墙面的方向两侧发散，空气流动性较好，此时迎风面受颗粒污染物的影响相对较小，主要分布在底层，受低层建筑物阻挡的地方.图5 高层建筑立面速度云图图6 高层建筑不同楼层PM2.5浓度分布高层建筑背风面受墙壁阻挡风场较小，在不同的高度有明显的涡流出现，形成的涡流大小不同，再加上受底层建筑物的影响，阻挡风的流动性，不利于气体与外界大气的交换，污染物浓度较高.随着高度的增加风场增加，出现涡流直到顶层受风速的影响涡旋消失，风速增大.在受风场影响条件下，迎风面PM2.5的浓度较低，主要分布在低层.背风面受风场涡流和回流的影响PM2.5浓度较高，此时的背风面是居住面，因此对背风面进行浓度分析.图6为背风面不同楼层高度处PM2.5的浓度分布，与赵向伟[17]实验结果分布特征接近，底部1∼7层浓度较高，受风场的影响较小涡流较大，随后风场有所增大浓度减小，在楼层11∼14层浓度最低，与扩散有关，在19∼21层浓度有所增加再次出现浓度高峰，这与背风面的速度风场分布接近一致，风速低的和有涡流产生的楼层PM2.5浓度较高，与以上分析的速度和压力云图完全符合.3 结论本文通过对高层建筑室外颗粒污染物PM2.5扩散的数值模拟研究，采用标准K−ε模型和离散相模型（DPM），对入口不同流场风速的控制采用编写UDF程序和FLUENT计算软件进行结合，基于有限元法耦合欧拉-拉格朗日法，然后对研究对象进行模型简化，设定充分的计算域.分析了速度和压力的特征变化对颗粒污染物扩散的影响，高层建筑受室外风场的影响对颗粒污染物扩散规律的数值模拟，得到如下结论：1.速度场的分布受周围建筑物的影响较大，有建筑物阻挡的地方就会产生风场的剧烈变化，建筑物背面都呈现出负压区，由于风场流动的不稳定性有时会出现涡流现象.不同风向风速条件下对污染物的扩散规律有一定影响.2.颗粒污染物PM2.5的扩散和风场分布涡流的形成具有较好的一致性，风场流动性较小位置，大多都呈现出负压区分布，颗粒污染物浓度较高.受低层建筑物影响产生的涡流不利于空气流动，颗粒污染物的浓度较高.3.高层建筑模型的数值模拟结果和前人的实际实验结果分布特征接近，基本上呈现双峰分布.参考文献：[1]张廷龙,孙慧.工业企业规模、分布与区域经济增长[J].新疆大学学报(自然科学版),2016,33(1):25-32.[2]郑玫,张延君,闫才青,等.中国PM2.5来源解析方法综述[J].北京大学学报(自然科学版),2014,50(6):1141-1154.[3]崔国权,康真,吕嵩,等.哈尔滨市PM2.5污染水平对人群呼吸系统疾病影响[J].中国公共卫生,2013,29(7):1046-1048[4]邹伟进,刘万里.生态文明视角下雾霾治理的博弈分析[J].新疆大学学报(哲学·人文社会科学版),2016,44(5):30-35.[5]蒋浩.近5年乌鲁木齐市PM2.5变化分析[J].环球人文地理,2016(16):208.[6]刘新春,陈红娜,赵克蕾,等.乌鲁木齐气溶胶粒径分布及细颗粒物(PM(2.5))浓度变化分析[J].生态环境学报,2016,25(4):605-613.[7]梁向丽,符永正,周传辉.空气动力阴影区对高层建筑周围污染物浓度分布的影响[J].工业安全与环保,2003(12):21-23.[8]刘朔.高层建筑室外气流场的数值模拟研究[D].哈尔滨:哈尔滨工业大学,2007.[9]徐枫.结构流固耦合振动与流动控制的数值模拟[D].哈尔滨:哈尔滨工业大学,2009.[10]杨伦,黄铭枫,楼文娟.高层建筑周边三维瞬态风场的混合数值模拟[J].浙江大学学报(工学版),2013,47(5):824-830.[11]崔鹏义,徐海霞,吴志根,等.高层建筑风场对室内空气品质影响的多尺度数值模拟[C].长沙:中国环境科学学会,2012:276-283.[12]Pettersson 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北京海淀地区大气边界层的数值模拟研究_佟华
p
x + g y
z- H h
zg x + Fu zg + Fv y
( 1) ( 2) ( 3)
+ gz- H h
zg v x - H - zg
zg y = 0
( 4) ( 5) ( 6)
为表示气压的 Exner 函数 , p 0 = 1000 hPa, w 为 ( x , y , z ) 坐标系中 zg z- H + v x H - zg
引
言
城市边界层的模拟实际上是城市下垫面由于粗糙度、 温、 湿度的不均匀引起的变性问
题, 它的基本任务是研究发生在城市及其周围地区边界层大气中各种物理过程的演变规 律, 探索在特定的地形条件下, 风、 温、 湿度等在空间的变化状况 , 污染物的扩散条件等。 长期以来很多学者通过不同的方法对城市边界层的特征进行了大量的数值模拟研究 , 得 出了许多有益的结论。P ielke[ 1] 建立了一个准静力三维原始方程欧拉模式 CSUMM , 模式 采用地形追随坐标系 , 不可压缩 , 一阶闭合, 用来模拟了南佛罗里达的海风环流。Seaman 等 改进了 PSU/ NCAR 中尺度气象模式, 利用双向嵌套网格和实测的初边条件模拟了 St . Louis, M issouri 城市行星边界层的温度、 边界层厚度、 比湿和风场等特征以及城市的地 表面水汽通量、 辐射过程和不同的地表粗糙度等对城市化的影响。模拟表明位于城市下 风向的热岛中心风速相对较小 , 而城市化导致的地表蒸发的减少是城市湍流边界层维持 和发展的最重要因素。T aha
0 . 14 0 . 12
图1
数值试验 1 中初始场为偏南风的 15: 00 10 m 高处水平风 场
( 实线为地形高度等值线 )
跃移沙粒运动参数的数字图像分析
Ｄｉ ｉａ ｍ ａ ｅ Ａｎ ｌ ｓ ｓｏ ｏ ｉ ｎ Ｐａ ａ ｅ ｅ ｓｏ ａ ｔ ｔｎｇ Ｓ ｎｄ Ｇｒ ｉ ｇ ｔ ｌＩ ｇ ａ ｙ ｉ ｎ Ｍ ｔｏ ｒ ｍ ｔ ｒ ｆ Ｓ ｌａ ｉ ａ ａ ｎｓ
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大气边界层中沙粒悬移运动的数值模拟
大气边界层中沙粒悬移运动的数值模拟
大气边界层中沙粒悬移运动的数值模拟
将双时间法和k-ε湍流闭合模型应用于求解雷诺平均的Navier-Stokes方程,模拟了沙地、沙丘流场.在此基础上,应用梯度输送理论求解平流扩散方程,模拟了平坦沙地、单个沙丘和连续沙丘周围沙粒的悬移.结果表明:1)来流的风速度足够大,使得地面摩擦速度大于起沙的临界速度,这是沙粒发生悬移的必要条件.但是光有足够的风速还是不够的,要使卷入空中的沙粒能在较大的高度范围内扩散,流场中必须存在一定强度的抬升气流.比较剧烈的地形起伏容易造成流动的不稳定;2)只有流场中存在抬升气流,才会使沙粒扩散到较高的高度;3)平坦地形时气流偏折主要是压力梯度的作用;而在沙丘起伏的表面,气流偏折受沙丘地形的影响很大.
作者：胡非刘长庆姜金华 HU Fei LIU Chang-Qing JIANG Jin-Hua 作者单位：胡非,姜金华,HU Fei,JIANG Jin-Hua(中国科学院大气物理研究所大气边界层物理与大气化学国家重点实验室,北京,100029) 刘长庆,LIU Chang-Qing(国防科技大学应用力学系,长沙,410000)
刊名：气候与环境研究ISTIC PKU英文刊名：CLIMATIC AND ENVIRONMENTAL RESEARCH 年，卷(期)：2007 12(3) 分类号：P435 关键词：大气边界层沙尘悬移数值模拟。
风沙跃移运动发展过程及静电力影响的数值模拟
风沙跃移运动发展过程及静电力影响的数值模拟
黄宁;郑晓静
【期刊名称】《力学学报》
【年(卷),期】2006(038)002
【摘要】建立了描述风沙跃移运动发展过程以及风场-沙粒互馈机制的风沙跃移运动数值模型,模型中考虑了风场-沙粒之间的耦合作用以及静电力的影响,同时风场是随时间变化的.模拟了风沙跃移运动从起始阶段至风沙流达到自平衡状态的整个发展过程所需的时间,起沙率与单宽输沙率随时间变化曲线,以及达到稳定后的单位面积输沙率沿高度分布以及贴地风速廓线的影响.计算结果表明,当沙粒平均带电量为60μC/kg时,计算所得的单宽输沙率以及输沙率沿高度分布与实验结果吻合得较好.【总页数】8页(P145-152)
【作者】黄宁;郑晓静
【作者单位】兰州大学土木工程与力学学院,西部灾害与环境力学教育部重点实验室,兰州,730000;中国科学院寒区旱区环境与工程研究所沙漠与沙漠化研究室,兰州,730000;兰州大学土木工程与力学学院,西部灾害与环境力学教育部重点实验室,兰州,730000
【正文语种】中文
【中图分类】O359;V211.1+7
【相关文献】
1.风沙跃移中颗粒冲击起动的数值模拟 [J], 亢力强;郭烈锦
2.风沙跃移运动的数值模拟 [J], 刘博;黄新成;王旭峰;蒋建云;何欢欢
3.风沙跃移运动发展过程的离散动力学模拟 [J], 李万清;周又和;郑晓静
4.风沙跃移中颗粒与多粒径床面碰撞的数值模拟 [J], 亢力强;郭烈锦
5.风沙跃移轨迹的DPM数值模拟 [J], 蒋建云;刘博;王旭峰;熊英;黄新成
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大气边界层中单颗沙粒跃移的数值模拟
摘要：通过分析单颗沙粒在大气边界层的受力，建立其运动方程。
根据选取的参数，采用龙格库塔格式做数值模拟。
对不同粒径沙粒的运动轨迹进行分析，得到沙粒在低风速和高风速等不同情况下受到参数变化的影响，这些分析结果揭示沙粒跃移过程中，在不同条件下具有的一些特点，以及沙粒跃移轨迹的变化规律。
这些结论对沙粒跃移轨迹的研究有一定的意义，并为沙漠化的防治提供了理论依据。
关键词：单颗沙粒受力分析跃移轨迹
中图分类号：o359 文献标识码：a 文章编号：1007-3973（2013）005-092-02
1 引言
风沙运动主要有三种形式：即跃移、悬移和蠕移。
自bagnold以来风沙运动的研究主要是从室内试验和现场观测两种途径进行的，近年来数值模拟研究开始出现。
bagnold发现粒径为0.1～0.15 mm 的泥沙最容易以跃移的形式运动，小于0.1 mm的泥沙容易以悬移的形式运动，大于0.15 mm的泥沙颗粒容易发生蠕移。
吴正从单个颗粒受力运动特性方面研究了单颗粒沙在风中的运动，并计算了沙土颗粒所能达到的距离和高度。
柏实义根据连续介质理论的双流体模型建立了宏观气固两相流体模拟方程组。
黄社华等通过研究和比较稀疏刚性颗粒相对运动时的受力，并对不同流动条件下各力的修正进行了讨论，从而得到了任意流场中稀疏颗粒运动方程的一般形
式。
陈强等研究了在阵风条件下悬浮沙尘的运动轨迹，得出了在空气粘性阻力作用下沙尘悬移可能转化为跃移的现象。
王柏懿等在考虑重力、拖曳力和saffman力的作用下沙粒的运动方程，对高度十米处平均风速为30m/s和10m/s两种风速和四种粒径情况下的沙粒运动进行了模拟。
本文将在文献[4]的结论下，研究粒径在0.05mm 到0.5mm范围内的沙粒，在含尘大气边界层中运动过程中，各运动参数的变化对沙粒跃移运动轨迹的影响。
2 风沙流中颗粒的受力分析
根据文献[4]沙粒在跃移过程中受到的力主要有：有效重力、拖曳力、magnus力、saffman力等。
为了便于研究，假设沙粒是粒径为d、质量为m的刚性球体，忽略颗粒间撞击作用，风速方向平行于地面。
3 数值模拟及其分析
4 小结
本文通过对沙粒在跃移过程中的受力分析，建立沙粒跃移的单颗沙粒运动方程。
并在此基础上进行了数值模拟，得到了如下结论：（1）在同等条件下，摩阻速度越大，沙粒的跃距越大，跃高越小。
这是由于风速变大后，影响了相对速度的大小和方向，进而对拖曳力造成了影响，而拖曳力又是沙粒跃移运动中起主要作用的力。
同时气流剪切作用降低，magnus力会变小也是原因之一。
（2）当其它条件相同时，粒径越小则跃距越大，跃高越小。
但这并不绝对，当初始起跳速度增大到6 m/s时，粒径为0.6 mm的
沙粒比粒径为0.2 mm的沙粒跃距和跃高都要大。
（基金项目：塔克拉玛干沙漠扩散数学模型分析及其数值模拟（10971024））
参考文献：
[1] bagnold ra.风沙荒漠沙丘物理学[m].北京：科学出版社，1954.
[2] 吴正.风沙地貌与治沙工程学[m].北京：科学出版社，2003.
[3] 柏实义.二相流动[m].北京：国防工业出版社，1985.
[4] 黄社华，李炜，程良骏.任意流场中稀疏颗粒运动方程及其性质[j].应用数学和力学，2000（21）.
[5] 陈强，戚隆溪，王柏懿.阵风作用下大气悬浮沙尘运动分析[j].力学与实践，2002，24（增刊）：90-94.
[6] 王柏懿，陈强，戚隆溪.气固两相流体力学和沙尘暴的研究[j].力学与实践，2002，24（增刊）：77-80.
[7] 王柏懿，陈强，戚隆溪.可侵蚀地表上方含尘大气运动的数值模型[j].力学学报，2004，36（3），265-271.。