论文摘要
在大气表面层中的湍流运动具有较强的脉动性。近期的一些研究表明在大气表面层中存在大尺度/超大尺度的湍流相干结构,其对大气表面层湍动能和雷诺应力有着重要的贡献。而且,大气表面层湍流运动对于热量、动量和物质的输运都有着重要的影响。但是,现有的风沙流模型和粉尘输运模型都不能很好的体现实际大气表面层中的湍流运动。为此,本学位论文基于野外观测数据对现有的风沙流和粉尘输运模型进行了改进,即,将大气表面层湍流运动引入到模型中。具体思路为:1)基于对不同尺度湍流运动的表征实现对大气表面层流向和垂向风速的预测（表征参数根据野外观测数据确定）,从而构建出二维风速脉动场;2)将二维风速脉动引入到风沙流模型的沙粒跃移的子过程中,从而实现对考虑湍流的风沙流的模拟;3)将二维风速脉动引入到粉尘输运模型的粉尘颗粒运动方程中,从而实现对考虑湍流的粉尘输运的预测。应用改进后的模型对风沙流统计性质和粉尘输运性质开展了研究。得到的主要结果有:1)模型预测结果与已有的实验结果较好的吻合,这说明本论文改进的模型是有效的;2)单宽输沙率、平均跃移高度、平均跃移长度这些物理量的均值在考虑湍流前后相对误差大于20%。而且,对于单宽输沙率、平均跃移高度、平均跃移长度、沙粒跃移速度、起跳速度、溅起速度、反弹速度、起跳角度、起跳沙粒数这些物理量的标准差在考虑湍流前后差异很明显,有些值的相对误差甚至超过了100%。这些结果说明在风沙流的模拟中,湍流的作用是需要考虑的,即,需要在风沙力学的框架中引入湍流的作用;3)流向和垂向的低频湍流运动对风沙流主要统计量的影响不容忽视（例如:当不考虑垂向和流向的大尺度湍流脉动时,风沙流的统计量与全尺度的结果的相对误差可以达到92%。）。这一结果说明在风沙流的模拟中如果仅考虑流向和垂向低频湍流脉动就能够实现对风沙流性质的较为准确的预测;4)流向的湍流结构对粉尘无量纲平均浓度高度廓线预测结果的影响不明显,但垂向低频脉动风速对粉尘向上输运有着重要的作用;5)无论是10μm粉尘颗粒还是40μm粉尘颗粒,粉尘颗粒的垂向速度与流场垂向脉动都是正相关。即,尘颗粒具有较好的跟随性。粒径大于20μm的颗粒很难输运到大气表面层的上部;6)给出了与跃移沙粒运动相关的跃移沙粒流向速度和跃移沙粒平均跃移长度的表征公式,与跃移沙粒-沙床碰撞过程相关的起跳速度和起跳角度的表征公式,输沙率的表征公式,以及无量纲浓度高度廓线随风速、粒径变化的公式。这些公式的给出将对防沙治沙工程的实施和优化提供重要的依据。
论文目录
文章来源
类型: 博士论文
作者: 柳丽
导师: 郑晓静
关键词: 大气表面层,多尺度湍流运动,风沙流,粉尘运动,数值模拟
来源: 兰州大学
年度: 2019
分类: 基础科学
专业: 力学,气象学
单位: 兰州大学
分类号: P425.2;O357.5
DOI: 10.27204/d.cnki.glzhu.2019.000017
总页数: 167
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