大气边界层中单颗沙粒跃移数值模拟[论文]

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

什么是边界层

什么是边界层?广义讲:在流体介质中,受边界相对运动以及热量和物质交换影响最明显的那一层流体。具体到大气边界层,是指受地球表面摩擦以及热过程和蒸发显著影响的大气层。大气边界层厚度,一般白天约为1.0km,夜间大约在0.2km左右,地表提供的物质和能量主要消耗和扩散在大气边界层内。大气边界层是地球-大气之间物质和能量交换的桥梁。全球变化的区域响应以及地表变化和人类活动对气候的影响均是通过大气边界层过程来实现的。什么是湍流?英文湍流为“turbulence”,日文为“乱流”,湍流简单定义:流体微团进行的有别于一般宏观运动的不规则的随机运动,从宏观上看,它没有稳定的运动方向,但它能够象分子运动一样通过其随机运动过程有规律地传递物质和能量。从1915年由Taylor[1]提出大气中的湍流现象到1959年Priestley[2]提出自由对流大气湍流理论,可以说,到20世纪50年代以前经典的湍流理论基本上已经形成。以后,湍流理论基本上再没有出现大的突破。1905年Ekman[3]从地球流体力学角度提出了著称于世的Ekman螺线,在此基础上形成了行星边界层的概念,他的基本观点仍沿用至今。1961年,Blackadar[4]引入混合长假定,用数值模式成功地得到了中性时大气边界层具体的风矢端的螺旋图象。行星边界层的提出使人们认识到了大气边界层在大气中的特殊性和一些奇妙的规律。从20世纪50年代开始,由于农业、航空、大气污染和军事科学的需要,掀起了大气边界层研究的高潮。1954年, Monin和Obukhov[5]提出了具有划时代意义的Monin—Obukhov相似性理论,建立了近地层湍流统计量和平均量之间的联系。1982年,Dyer[6]等利用1976年澳大利亚国际湍流对比实验ITCE对其进行完善使得该理论有了极大的应用价值。1971年Wyngaard[7]提出了局地自由对流近似,补充了近地面层相似理论在局地自由对流时的空白。从20世纪70年代开始,随着大气探测技术和研究方法的发展,特别是雷达技术,飞机机载观测, 系留气球和小球探空观测以及卫星遥感和数值模拟等手段的出现,大气边界层的研究开始从近地层向整个边界层发展。简洁地概括,对大气边界层物理结构研究贡献最突出的是两大野外实验和一个数值实验,即澳大利亚实验的Wanggara和美国的Min-nesota实验以及Deardorff的大涡模拟实验。相似性理论是大气边界层气象学中最主要的分析和研究手段之一,在建立了比较成熟的用于描述大气近地面层的Monin—Obukhov相似性理论以后,人们开始寻求类似的全边界层的相似性理论。国际上,除Neuwstadt[8]、Shao[9]等做了大量工作外,我国胡隐樵等以野外实验验证了局地相似性理论,并建立了各种局地相似性理论之间的关系。张强等还对局地相似性理论在非均匀下垫面近地面层的适应性做了一些研究。自1895年雷诺平均方程建立以来,该方程组的湍流闭合问题是至今未解决的一个跨两个世纪的科学难题。人们发展湍流闭合理论,以达到能够数值求解大气运动方程,实现对大气的数值模拟。闭合理论有一阶局地闭合理论即K闭合。1990年HoIt-sIag[12]在1972年理论框架的基础上,用大涡模拟资料对K理论做了负梯度输送的重大修正。为更精确地求解大气运动方程,也为了满足中小尺度模式,特别是大气边界层模式刻画边界层湍流通量和其它高阶矩量的目的,高阶湍流闭合技术也开始被模式要求。由于大气边界层研究是以野外探测实验为基础的实验性很强的科学,我国以往由于经济落后,无法得到第一手的实验资料,研究相对落后,与国外相比,总体上差距在20a左右,但我国学者在大气边界层的研究中也有其特殊贡献:1940年周培源先生[13]提出的湍流应力方程模式理论,被认为是湍流模式理论开始的标志,这一工作奠定了他在国际湍流研究领域的崇高地位。苏从先等在上世纪50年代给出的近地面层通量廓线与当时国外同类研究同步,被国外学者称为“苏氏定律”,在上世纪80年代苏从先等首次发现了干旱区边界层的绿洲“冷岛效应”结构。上世纪70年代周秀骥[16]提出的湍流分子动力学理论也很有独特的见解。1981年周明煜[17]提出的大气边界层湍流场团块结构是对湍流结构的新认识。上世纪80~90年代赵鸣[18]对边界层顶抽吸作用的研究是对Charney—Eiassen公式的很好发展。在20世纪90年代的“黑河实验”中,胡隐樵等和张强[19]首次发现了邻近绿洲的荒漠大气逆湿,并总结提出了绿洲与荒漠相互作用下热力内边界层的特征等等。国内外有关大气边界层和大气湍流的专著

第五章大气污染扩散

第五章大气污染扩散第一节大气结构与气象有效地防止大气污染的途径，除了采用除尘及废气净化装置等各种工程技术手段外，还需充分利用大气的湍流混合作用对污染物的扩散稀释能力，即大气的自净能力。污染物从污染源排放到大气中的扩散过程及其危害程度，主要决定于气象因素，此外还与污染物的特征和排放特性，以及排放区的地形地貌状况有关。下面简要介绍大气结构以及气象条件的一些基本概念。一、大气的结构气象学中的大气是指地球引力作用下包围地球的空气层，其最外层的界限难以确定。通常把自地面至1200 km左右范围内的空气层称做大气圈或大气层，而空气总质量的98．2％集中在距离地球表面30 km以下。超过1200 km的范围，由于空气极其稀薄，一般视为宇宙空间。自然状态的大气由多种气体的混合物、水蒸气和悬浮微粒组成。其中，纯净干空气中的氧气、氮气和氩气三种主要成分的总和占空气体积的99.97％，它们之间的比例从地面直到90km高空基本不变，为大气的恒定的组分；二氧化碳由于燃料燃烧和动物的呼吸，陆地的含量比海上多，臭氧主要集中在55～60km高空，水蒸气含量在4％以下，在极地或沙漠区的体积分数接近于零，这些为大气的可变的组分；而来源于人类社会生产和火山爆发、森林火灾、海啸、地震等暂时性的灾害排放的煤烟、粉尘、氯化氢、硫化氢、硫氧化物、氮氧化物、碳氧化物为大气的不定的组分。大气的结构是指垂直（即竖直）方向上大气的密度、温度及其组成的分布状况。根据大气温度在垂直方向上的分布规律，可将大气划分为四层：对流层、平流层、中间层和暖层，如图5－1所示。 1. 对流层对流层是大气圈最靠近地面的一层，集中了大气质量的75％和几乎全部的水蒸气、微尘杂质。受太阳辐射与大气环流的影响，对流层中空气的湍流运动和垂直方向混合比较强烈，主要的天气现象云雨风雪等都发生在这一层，有可能形成污染物易于扩散的气象条件，也可能生成对环境产生有危害的逆温气象条件。因此，该层对大气污染物的扩散、输送和转化影响最大。大气对流层的厚度不恒定，随地球纬度增高而降低，且与季节的变化有关，赤道附近约为15km,中纬度地区约为10～12 km，两极地区约为8km；同一地区，夏季比冬季厚。一般情况下，对流层中的气温沿垂直高度自下而上递减，约每升高100m平均降低0．65℃。从地面向上至1～1.5 km高度范围内的对流层称为大气边界层，该层空气流动受地表影响

STU大气边界层风洞流场特性的模拟

大气边界层风洞流场特性的模拟石碧青洪海波谢壮宁倪振华（汕头大学土木系，广东汕头，515063）摘要风场模拟的准确程度是保证风洞试验结果准确程度的重要因素。文中采用了一种曲边梯形的尖塔，结合粗糙元等被动装置进行风洞大气边界层的模拟，模拟出试验对象所在区域的大气边界层特性，包括A、B、C和D 类四种地貌下的平均风速剖面、湍流度剖面和顺风向脉动风谱，为进一步的流场特性研究和风洞试验奠定了基础。通过对曲边梯形尖塔和三角形尖塔模拟的风洞大气边界层的湍流度剖面的比较，可以发现本文所采用的曲边梯形尖塔更有利于提高风洞大气边界层中部以上高度的湍流度，使得整个湍流度剖面更为合理。关键词风洞、大气边界层、流场模拟 1. 引言大气边界层的风洞模拟是研究风对建筑结构的作用以及建筑物周围的风环境等风工程问题的基础工作。在进行建筑结构的风洞试验时，除了必须满足建筑结构的几何特性相似外，还要准确地模拟出建筑结构所在区域的大气边界层特性。大气边界层的特性主要包括平均风速剖面、湍流度剖面、风功率谱以及湍流积分尺度等。尤其对于研究建筑结构风致响应以及气动弹性效应的风洞试验，准确模拟湍流结构有着更重要的意义。自Counihan（1969）和Standen（1972）提出两种模拟大气边界层的装置以来，大气边界层的风洞模拟技术和方法有了较大的发展。Irwin（1981）对Standen尖塔进行了改进，并进一步给出了尖塔、粗糙元组合模拟梯度风高度的经验公式1)。相比主动控制技术模拟大气边界层，被动模拟方法所需的装置简单、造价低，并且比较容易模拟出各种地貌的平均风剖面。因此，风洞中更多地采用被动模拟方法进行大气边界层的模拟。在国内外同行模拟的大气边界层特性中，平均风剖面的结果是令人满意的，而湍流度分布、湍流积分尺度等湍流结构则有较明显的差别2)3)。被动模拟方法中常用的尖塔形状是三角形，但是三角形尖塔所模拟的湍流度随高度衰减太快，导致风洞大气边界层的中上部分湍流度过低。本文采用了一种曲边梯形的尖塔，结合粗糙元等被动装置进行风洞大气边界层的模拟，给出了A、B、C和D类四种地貌的平均风速剖面、湍流度分布和顺风向脉动风谱和湍流积分尺度。从模拟的结果可以看出曲边梯形尖塔相对于三角形尖塔的更有利于提高边界层中部以上高度湍流度，使得湍流度剖面更为合理。 2. 模拟装置汕头大学风洞的主试验段尺寸为长20m、宽3m和高2m，风速从0.5m/s～45m/s连续可调。大气边界层的模拟主要使用尖塔旋涡发生器和一定数量的粗糙元来进行。不同地貌所使用的尖塔尺寸不尽相同，根据多年的实践摸索，得到了用于不同地貌的尖塔，见图1，尺寸单位为cm。尖塔迎风面的基本外形为曲边梯形，高为200cm。曲边可以采用多项式表示为 3 + =2 + w+ cz d bz az 不同地貌所使用的曲边梯形尖塔有所不同，其曲边表达式的多项式系数见表1，w为曲边到中线

大气边界层模拟风洞研究综述

（结构动力试验论文）大气边界层模拟风洞研究综述 Performance of Simulation of Atmospheric Boundary Layer in Wind Tunnels 学生姓名：指导教师：学院：专业班级：

大气边界层模拟风洞研究综述姓名（大学学院）摘要：本文介绍了大气边界层风洞的发展过程和模拟方法。大气边界层的模拟方法主要有主动模拟方法和被动模拟方法，前者包括多风扇风洞技术与振动尖塔技术，后者采用尖劈、粗糙元、挡板、格栅等装置进行模拟。被动模拟技术较为经济、简便，所以得到了广泛采用。关键词：风洞；大气边界层；主动模拟；被动模拟. Performance of Simulation of Atmospheric Boundary Layer in Wind Tunnels NAME (University) Abstract：In this paper , the simulation of atmospheric boundary layer are introducted from the history of the development and the methods of the technology. The methods of atmospheric boundary layer simulation contain active simulation and passive simulation. The active simulation mainly include multiple fans wind tunnel technology and vibratile spire technology. The equipments of the passive simulation main include spire, roughness element, apron and gridiron. The passive simulation technology is simple and economical, so it has been widely used. Key words：wind tunnel; atmospheric boundary lay er; active simulation; passive simulation. 一、引言 1940年，美国塔科马悬索桥由于风致振动而破坏的风毁事故,首次使科学家和工程师们认识到了风的动力作用的巨大威力[1]。在此之前，1879年发生了苏格兰泰桥的风毁事故已经使工程师们认识到风的静力作用。塔科马桥的风毁开始了土木工程界考虑桥梁风致振动的新时期，并以此为起点, 发展成为了现代结构风工程学。结构风工程研究方法可分为现场测试、风洞试验和理论计算三种。现场测试方法是一种有效的验证理论计算和风洞试验方法和结构的手段；然而，现场测试需要花费巨大，试验环境条件很难人为控制和改变。与现场测试方法相比，风洞试验兼具直观性和节约的优点，同时可以上人为地控制、调节和重复一些试验条件，是一种很好的研究结构风工程现象的变参数影响和机理的手段。近些年来随着流体力学和计算机技术的发展，计算流体动力学逐渐成为风工程研究中越来越重要的工具。然而，由于风工程问题的复杂性，要深入了解由于空气流动所引起的许多复杂作用，风洞试验仍然是起着非常重要的作用。在整个50 年代和60 年代初，建筑物和桥梁风洞试验都是在为研究飞行器空气动力学性能而建的“航空风洞”的均匀流场中进行，而试验结果往往被发现与实地观测结果不一致，原因显然在于风洞中的均匀气流与实际自然风的紊流之间所存在明显差别。1950 年代末，丹麦的杰森对风洞模拟相似率问题作了重要的阐述，认为必须模拟大气边界层气流的特性。

边界层复习资料

第一章大气边界层基本的概念 1、大气边界层定义，特征 2、大气边界层的垂直分层结构，通常可分为粘性副层、近地面层、混合层 3、边界层发展的日变化，陆上高压区大气边界层通常由三部分组成，对流混合层，残余层，稳定边界层 4、大气边界层按稳定度分类：稳定边界层，不稳定边界层及中性边界层 5、风与气流的流动形式：平均风速、波动、湍流 6、自然界中的流体运动存在着两种完全不同的运动状态：层流、湍流 7、莫宁-奥布霍夫（Monin－Obukhov）相似理论以及π理论是边界层湍流研究的理论基础， 8、大气湍流的能量来源于机械运动作功和浮力作功两方面。 9、名词解释：泰勒假说第二章湍流基础 1、湍流的基本特征：随机性、非线性、扩散性、涡旋性、耗散性按照能量学的观点，大气湍流的存在和维持有三大类型：风切变产生的湍流、对流湍流、波产生湍流 2、湍流的定量描述(重点掌握)：平均量和平均法则、雷诺分解、统计量、湍流尺度大气湍流中，雷诺平均通常有三种平均方式，分别是时间平均，空间平均，系统平均。第三章大气边界层控制方程（要知道出发方程都是什么，推导方法，拿出来一个方程能够识别出是什么方程，各项对应的物理意义是什么，这章会有个推导题，题目见课件） 1、基本控制方程（状态方程、一个质量守恒方程（连续方程）、三个动量守恒方程（Navier-Stokes方程）、一个热力学能量方程）水汽及污染物的守恒方程形式与热量守恒形式一致通过Boussinesq 近似得到简化方程，克罗内克符号，交变张量， 2、平均量方程出发方程：Boussinesq 近似方程组采用雷诺平均的方法，将任意一个物理量表示成平均量和脉动量之和，代入方程组，然后再取平均————大气边界层平均量控制方程，重要：在动量、热量和水汽平均方程组均出现了湍流通量散度项，表现出湍流通量对平均场动量、热量和水汽含量增减的贡献。 P.S 定常、水平均匀，忽略下沉，取平均风速为x轴方向几种假设的含义 3、湍流脉动量方程将出发方程展开为平均量和脉动量相加的形式,与平均量方程相减，即可得到湍流脉动量控制方程。理论上，用这些脉动量的预报方程可以求解湍流的运动，但是脉动量运动的时间尺度在30分钟以下，并且空间尺度相对精细，这种尺度的求解在实际的气象应用中持续时间太短，难以直接应用～～～～湍流脉动量方程作为寻求湍流方差预报方程、湍能方程以及协方差（通量）预报方程的中间步骤 4、湍流方差预报方程从湍流脉动量方程出发,乘以2u’,2q’,2θ’,2C’，再利用乘

第五章边界层理论

1 Transport Phenomena, Xu Jian, 2009 第五章边界层理论边界层概念边界层方程边界层分离 2 Transport Phenomena, Xu Jian, 2009 5.1 边界层概念在上述层流动量传递的若干实例的分析中，(1)形状简单；(2)引入了假设：管道无限长、忽略进口段影响。实际问题要复杂得多。边界层理论，粘滞力对动量传递影响的一般理论，是粘性流体力学的基础，也与热量传递过程和质量传递过程有着密切的关系。 3 Transport Phenomena, Xu Jian, 2009 5.1 边界层概念 Prandtl(1904)提出边界层概念，把统一的流场，划分成两个区域，边界层和外流区；其流体流动（沿流动方向和沿与流动方向垂直的方向）有不同的特点。边界层：流体速度分布明显受到固体壁面影响的区域。边界层的形成： ?壁面处流体的“不滑脱”no-slip ?流体的“内摩擦”作用边界层厚度δ?U ＝0?0.99 U 0 4 Transport Phenomena, Xu Jian, 2009 5 Transport Phenomena, Xu Jian, 2009 5.1 边界层概念流过一物体壁面的流体分成两部分 ?边界层，粘性流体，不能忽略粘滞力?外流区，理想流体，可以忽略粘滞力 6 Transport Phenomena, Xu Jian, 2009 边界层理论的要点边界层厚度δ的变化 ?前缘处，δ＝0 ?x ↑, δ↑；沿壁面的法向将有更多的流体被阻滞?δ<

风洞中模拟大气边界层的相似参数分析

Ξ第20卷第3期2002年9月西安航空技术高等专科学校学报 Journal of Xi’an Aerotechnical College Vol120No13 Sup.2002风洞中模拟大气边界层的相似参数分析金　文 (西安航专动力系,西安710077) 摘　要:对二维稳定不可压缩紊流方程采用无量纲化分析方法,确定了环境风洞中模拟大气边界层应满足的相似参数。关键词:大气边界层;风洞;模拟;相似参数中图分类号:X169　文献标识码:A　文章编号:1008-9233(2002)03-0050-02 环境风洞是能产生低速气流并能在其中进行实验的装置。长期的实践证明,环境风洞是研究建筑风环境的有力工具。早在三十年代,英国学者拜格诺就曾利用低速风洞研究了风沙流的规律和土壤风蚀,中国科学院林业土壤研究所防护林组在1964年也曾设计建造开路闭口吸气式低速风洞实验室,开展了模型实验研究,并取得一定成果。在风洞模拟实验研究中,相似性问题十分重要。一般情况下,几何相似相对容易满足,在此条件下,只要满足了动力相似,则运动相似也就满足了。因此,几何相似是力学相似的前提,运动相似是模型实验的目的,动力相似是运动相似的保证。而为了保证流动的动力相似,必须找出相应的相似准则数。作用于空气质点上的力主要有惯性力、重力、粘性力、压力和科氏力等,实际上要保证两种流动满足完全相似的实验是不可能的,一般仅为部分相似。即在上述相似准则数中,一般只考虑最重要的一个相似准则数,这就是局部相似。本文就是分析找出在环境风洞中模拟大气边界层的主要相似准则数。首先将流体运动的纳维-斯托克斯方程限定为二维稳定流动(5u i 5t=0),并简化问题忽略柯氏加速度和温度层结的影响。然后根据雷诺约定对其进行时间平均,并选择x方向为顺流方向,z方向为垂直地表面向上的方向,则可以得到以下时均流方程: 连续性方程 5u x 5x+5u z 5z=0(1) 动量方程 u x 5u x 5x+u z 5u x 5z=- 1 ρ 5P 5x+γ( 52u x 5x2+ 52u x 5z2)+ 5 5x(-u x′u x′)+ 5 5z(-u x′u z′)(2) u x 5u z 5x+u z 5u z 5z=- 1 ρ 5P 5x+γ( 52u z 5x2+ 52u z 5z2)+ 5 x(-u x′u z′)+ 5 z(-u z′u z′)(3) 选择一组特定参考量(特征尺度,有量纲)对方程中的各项进行无量纲化,使方程中各项变成特定参考量与数量级为1 的无量纲因子的乘积,这样各项的数量级就可以估算。令: x=L?x3,z=H?z3 u x=U?u x3,u z=W?u z3 u x′u x′=u2?u x′u x′3,u z′u z′=w2?u z′u z′3,u x′u z′= uw?u x′u z′3 ρ 0= ρ?ρ3, 5P 5x= P x L ? 5P3 5x3, 5P 5z= P z H ? 5P3 5z3 将以上各式代入方程(1)、(2)、(3),则得到式(3)(4)、(5), 这样方程各项前均出现了由特征尺度所构成的有量纲因子, 对于组成各因子的特征尺度,可以得到它们的数量级。就大气表面层运动来说,在米?千克?秒制中有[1]:L=106,H= 102;U=101,ρ=100,γ=10-5;u z数量级可由连续性方程推出:W=10-3;u x′u x′,u x′u z′,u z′u z′这三个量的数量级 u2,uw,w2在大气表面层中与u230相同[2]。这里u30为地面摩擦速度,近地面处值为:0.2～0.4m/s,故u2=uw=w2 =10-1。因此,对方程中各项(除了压强项)的数量级均已估算出来,并把估算到的各项数量级写在方程对应项的下面: U L 5u x3 5x3+ W H 5u z3 5z3=0(3) 10-5 10-5 Ξ收稿日期:2002-06-13

壁函数对大气边界层数值模拟结果的影响

壁函数对大气边界层数值模拟结果的影响由于湍流边界层在靠近壁面区域存在动态的涡旋结构，所以在高雷诺数情况下大涡模拟(LES)要有非常高的分辨率，但是解决这些涡旋结构使得大涡模拟的计算量和直接数值模拟一样大。为了避免这种情况，我们可以用壁函数来模拟近壁的网格，它在固体边界上给大涡模拟提供了近似边界条件，使大涡模拟在高雷诺数条件下可以增大网格分辨率。本文的目的就是为了模拟不同壁函数对湍流边界层数值模拟结果的影响，模拟流动的控制方程为纳维斯托克斯方程。模拟采用全隐式的解耦方法,在LU分解和近似分解的基础上，速度项和压力项被解耦，同时保留了时间二阶精度。在未加壁函数时，文章中使用了两种不同的亚格子模型分析了不同亚格子模型对湍流边界层数值模拟结果的影响，最后分析了不同壁函数、不同网格对结果的影响，并且将得到的结果与Lee和Moser的结果进行对比，使湍流边界层的模拟更加准确，并将结果推广到了大气边界层。 1.1 壁面模型介绍模拟流体流动在工程设计和分析中具有重要的应用价值。因为层流的流动特征在时间和空间上的尺度非常小，而湍流的流动特征相对层流而言较大，所以模拟层流到湍流的转换过程是很困难的，这对动态流动的精确模拟产生了很大的阻碍。在直接数值模拟的过程中，不需要添加其他模型就可以解决所有尺度的流动，但如果要模拟整个流动过程，所需的网格点非常多。为了减少直接数值模拟的计算量，发展出了一种新的数值模拟方法——大涡模拟错误!未找到引用源。，通过对湍流进行低通滤波，计算量显著减小，但是经过过滤，大涡模拟消除了许多小尺度结构。从物理和工程学的角度来看，高频信息对实际问题的重要性不大，但是，它所携带的物理信息对流动的发展有重要影响，所以要对高频信息建立模型来模拟其对大涡模拟的影响，这种模型叫做亚格子模型。目前已经发展出了许多有效的模型和方法错误!未找到引用源。。应用亚格子模型后，大涡模拟可以准确地应用于多种流动状态。但是在近壁区域，因为流动是粘性的，所以亚格子模型在近壁区域不太准确，除此之外，这个区域的流动结构趋于各向异性，而亚格子模型主要用来对各向同性涡进行建模，各向同性涡只代表一小部分的总能量流，他们不能精确代表壁面附近的湍流

A地区边界层结构特征的数值模拟研究

A地区边界层结构特征的数值模拟研究文章利用2019年A气象站的常规观测资料和探空资料，对A盆地地区的边界层结构特征进行系统的分析，并利用WRF模式的两种边界层参数化方案（YSU 方案和MYJ方案），分别选取2019年的7月5~6日和1月5~6日作为夏季和冬季的个例，对A盆地地区的大气边界层结构特征进行了数值模拟。结果表明：无论夏季和冬季，WRF模式在A地区均有较好的适用性；夏冬两季的7:00只存在不稳定和中性两种状态，而19:00则只存在稳定和中性这两种状态；夏季的边界层高度普遍高于冬季，19:00的高度高于7:00，WRF模式的YSU方案能够较好的模拟边界层的高度；对于位温和比湿，通过分析，可以具体将其廓线类型分为四种类型，WRF对夏季位温廓线模拟效果较好，而在冬季，对比湿廓线的模拟效果比较理想，这可能与冬季湿度小，天气稳定有关；感（潜）热通量在白天均为正值，晚上为负值，夏季地面向大气传输能量的强度和时间明显强于冬季，在两个季节中，WRF模式模拟的的感热通量的变化趋势与实测值均基本吻合，但是对于潜热通量，冬季的模拟效果明显优于夏季。关键词：A盆地；边界层结构特征；WRF模式；边界层参数化方案；适用性第一章引言 1.1 研究背景及意义大气边界层，是指受地球表面摩擦以及热过程和蒸发显著影响的大气层，即大气底部受地面影响最大的一层【1-2】。大气边界层的平均厚度约为地表以上1000m范围【3】，地表提供的物质和能量主要消耗和扩散在大气边界层内。边界层大气受地球表面的影响，对表面强迫力的响应时间约为1小时或更短，因此大气边界层与人类活动的关系最密切、最直接。大气污染物的散布与其密切相关，大气边界层内的大气扩散能力和其稳定度密切相关，大气稳定度随着气温层结的分布而变化，是直接影响大气污染物扩散的重要因素，大气边界层的高度是空气污染预报的重要指标之一【4-6】。另外，大气边界层是地球大气动量、热量和各种物质上下输送的重要通道，因此，大气边界层中发生的物理过程是大尺度天气气候形成的重要因子，也是天气气候影响人类生活以及人类活动影响大气的通道【7】。大气边界层的物理过程与下垫面的物理性质具有紧密关系，由于边界层过程又受

大气边界层复习材料

边界层气象学复习材料第一章绪论 1.大气边界层的定义；第二章大气湍流 1.流体运动的两种形式：层流和湍流 2.湍流发生的两种机制：1.热力作用；2.动力作用。 3.泰勒假设；泰勒假设的基本思想：将空间序列问题转换为时间序列问题。泰勒假设成立的基本条件：冰冻湍流理论，即在湍涡发展时间尺度大于其平移过传感器时间的特定情况下,当湍流平移过传感器时,可以把它看做是凝固的。 4.雷诺平均的核心思想； 5.定常湍流、均匀湍流和各向同性湍流的物理含义； 6.傅里叶变换的核心思想； 7.湍流能谱谱区分布及特征； 8.由大气运动方程组推导雷诺平均方程组；包辛涅斯克近似的含义； 9.通量的物理意义：通量是指单位时间单位面积的流体的某属性量的输送。湍流通量与属性量廓线的关系。 10.湍流动能方程各项的物理意义； 11.K理论； 12.通量里查逊数，梯度理查逊数，整体理查逊数；第三章大气边界层 1.稳定、不稳定、中性边界层通常多出现在什么天气条件；

2.位温廓线的日变化规律；给定一条典型的位温廓线，要求知道对应什么时间段。 3.中性层结下风速廓线关系的推导； 4.中性边界层的三力平衡； 5.对流边界层形成的主要能量来源； 6.对流热泡贯穿机制和卷夹层的形成过程； 7.低空急流的形成原因：夜间湍流强度迅速减弱，湍流摩擦力迅速减小到很低的量级（摩擦力撤除效应），最终导致科氏力引发惯性振荡。第四章大气扩散 1.影响大气扩散的主要两个气象因子：风、大气稳定度。 2.有界扩散需要考虑地面对污染物的反射作用，相当于同时考虑“实源”和“虚源”的贡献。 3.影响大气扩散的两种运动：1.平流（输送）；2.湍流（扩散）。 4.五种常见的烟流扩散与大气稳定度之间的关系；第五章通量观测

大气边界层在高雷诺数下的模拟结果

大气边界层在高雷诺数下的模拟结果 3.1 不同亚格子模型对大气边界层数值模拟结果的影响在不可压缩湍流中，亚格子涡粘模型采用分子粘性的形式[19]，即： 123ij ij t ij kk S τνδτ-=+ (1) 在公式(1)中，t ν为亚格子涡粘系数， _ij S 是可解尺度的变形率张量。可以看出，在涡粘模型中，加上涡粘系数后，就可以使用纳维斯托克斯方程直接数值计算，其中，涡粘系数是需要对其封闭的，可以有不同的形式。将亚格子涡粘模型(1)代入到大涡数值模拟的控制方程中，可以得到大涡数值模拟控制方程[12]： _()()3i j j i kk j i j j i u u u u u p t x x x x x τνν--- --??????+=-+++?????? ， 1Re t νν=+ (2) _ 0i i u x ?=? (3) 可以看出，代入亚格子涡粘模型和涡扩散模型后，湍流控制方程的变化只是在分子扩散系数上加亚格子涡粘系数，下面给出亚格子涡粘系数的两种形式。 3.1.1 Smagorinsky 模式在大涡模拟中将雷诺平均混合长度模式推广，得到原始的Smagorinsky 模式，混合长度模式的涡粘公式[20]为： '2 t u u l l y ν?<>∝∝? 令l =?，那么在二维空间中有： 2()2ij ij u S S y ?<>=<><>? 将上式推广到三维空间中可得到如下关系： 1 2 2(2)t ij ij l S S ν∝<><> 同样，令l =?，将平均运算改为过滤运算，并引入模型常数后，可将亚格子涡粘系数写成以下形式：

__222t S ij ij C S S ν=?<> (4) 在实际模拟计算中发现模型常数明显偏大,Smagorinsky 模式的致命缺点是耗散比较大，下面利用近壁阻尼函数，对Smagorinsky 系数进行修正，从而减少耗散[19]。对Smagorinsky 系数S C 做如下修正： 0.18[1exp(/)]s C y A ++=-- 式中/y yu τν+=，26A +=，[1exp(/)]f y A ++=--称为近壁阻尼函数。 3.1.2 动力模式涡粘[13]和涡扩散模式在工程计算中有普遍的应用。但因其导出过程以均匀各向同性湍流为基础，实际流动中的复杂湍流并不满足这些条件，所以通过对亚格子模型的改进，使这种模式适应局部湍流的结构，下面介绍的动力模式是经过改进的亚格子涡粘模型。动力模式在模拟过程中使用了两次过滤，假定过滤过程是线性的，且有12?>?，由1?、2?过滤产生的亚格子应力和连续两次过滤产生的亚格子应力可得到如下关系： 13ij kk ij D ij L L C M δ-= 因为上式为超定方程，所以不能直接计算系数D C ,但有以下几种方法来解决超定问题[14]。第一个为变形率张量收缩法，即将上式两边同乘以可解尺度的变形率张量。但是实际计算表明，用这种方法计算的模式系数很不规则，而且计算过程中的稳定性较差；第二种为最小误差法，令这个超定方程两边的平方差最小，即： 2 103ij kk D ij D L L C M C ???--=????? 可得到： ij ij D ij ij M L C M M = (5) 在式(5)中，ij L 和流动的形态有关，ij M 和模式的形式有关。最小误差法比变形率张量收缩法已经有很大改进，但是仍有缺陷：①模式系数D C 可能会出现负值，导致计算结果发散；②分母可能很小，也导致计算结果发散。为了克服计算上的困难，采用平均系数法，对(5)式右端的分子和分母分别求系综平均，得到模式系数为：

第五章、大气环境保护概述

第五章?大气环境保护概述５.1大气环境基础知识5.１.１大气污染 1、大气的成分?地球表面附近的大气是包括颗粒尘埃在内的混合气体，其组成包括恒定的和不定的两种。在近地层大气中有氮、氧、氩、氖、氪、氙、氢等成分,其中氮、氧、氩占大气总量的９9.9６％,这三种成分的含量几乎不变。大气中的不定成份主要是自然过程和人为活动的排入大气污染物质,如物质燃烧的灰份,火山爆发的尘埃，风起的灰尘以及工业、交通排出的废气等。２、大气污染大气污染也称空气污染，是指大气中的污染物质，当其数量、浓度、毒性以及大气中持续时间等因素的综合作用结果，可能会使某些地区的生物体的生命和人类的健康、或生产活动受到影响。（1）大气污染源通常把能产生大气污染物的场所、设备、装置等称为大气污染源。大气污染源总的来说有两类:一类是自然污染,如大风刮起的地面沙尘，森林火灾产生的ＣO２、NO2等。另一类是人类活动产生的污染物，如工矿企业、交通运输排出的废气、毒气、烟尘和放射性元素;燃料燃烧排出的碳氢化合物、ＣO、SO2和烟尘;另外还有散播的农药、核武器和化学武器的试验残余物等。 (2）大气污染物?大气污染物的种类和成份十分复杂。从污染物的物理性质来看，大气污染物可分为颗粒物质和气体污染物。烟尘、粉尘是固体颗粒物质，这些颗粒物质悬浮于大气中常称为气溶胶。直径大于10微米的颗粒物质叫“降尘”,它可以在离污染源较短的距离之内落到地面。直径小于1０微米的叫“飘尘”，它们可以在大气中停留数小时甚至几年。上述污染物是由污染源直接排出的,称为一次污染物。有的一次污染物不稳定,在大气中经化学反应或光化学反应，形成新的污染物,称为二次污染物。 3、大气污染对人类的危害和影响?大气污染物危害人体主要通过表面接触、呼吸、食入等途径。其对健康的危害主要表现为引起呼吸道疾病。在突然的高浓度污染物作用下可造成急性中毒。这里针对几种主要交通污染物对健康等方面的影响作简单介绍。（１）粉尘道路施工时会产生粉尘也叫尘埃，尘埃中粒径大于１0微米的颗粒物,大多可被鼻腔和咽喉所捕集,不会进入肺泡。但粒径小于1０微米的飘尘，即ＰＭ10长时间在空中飘浮,易被吸入呼吸系统。其中较小的微粒侵入到没有粘液层和纤毛层的肺的深部组织中并沉积下来。这些物质如果被溶解，就会直接侵入血液,可能造成中毒。未被溶解的物质可能被吞噬细胞所吸收,它们如果是有毒的,就会杀死该细胞,造成细胞破坏。未被 (2）氮氧化物（NO 吞噬细胞吸收的物质,则侵入肺组织或淋巴结，有可能造成尘肺和其它感染。? ｘ)和光化学烟雾一氧化氮(NO)无色、无刺激，化学性质不活泼。二氧化氮（NO２)为刺激性?气体。空气中两者可以互相氧化还原，对呼吸系统都有毒性,但NO２的毒性比NO大５倍。NO能与血红蛋白结合，从而使血液的输氧功能下降,它还会使中枢神经受损,使人痉挛或麻痹。NO急性中毒会导致肺水肿或窒息而死亡。NＯ2对眼、鼻有强烈刺激。污染环境中肺功能明显受损,经常接触可形成慢性肺气肿或肺纤维化，ＮO2对心脏、肝脏、造血器官等脏器也有损害作用。?空气中的NO，在阳光的作用下,还能与ＣO、CnHｍ等作用，生成光化学烟雾。这种烟雾对眼睛的刺激作用特别强，浓度大于０.1pｐｍ时，短时间接触就能使泪流不止，甚至头痛、呼吸障碍：浓度增加到50ppm,人有死亡的危险。 (３）一氧化碳（CO)?ＣO是无色、无臭的气体。浓度为９00ppm接触1小时,能使人头痛、眼睛呆滞;浓度在12００ｐｐm以上作用1小时，可使神经麻痹,发生生命危险。（４）碳氢化合物（ＣnＨm)?CｎHm种类很多。如由于燃料燃烧不完全或石油裂解过程中产生的挥发性烃;又如沥青烟气中含有强致癌物质的苯并芘。这些污染物对眼、鼻和呼吸道有强烈的刺激作用，

17589第五章边界层理论及层流边界层中的传递现象

第五章边界层理论及层流边界层中的传递现象 5.1 边界层理论的要点 5.1.1 问题的提出前述，Re∝惯性力/粘性力当Re<1时，惯性力<<粘性力，可用“爬流”模型，略去惯性力项，N-S方程==>爬流方程（stokes近似），解决一些实际问题（沉降、润滑、渗流等），获得比较满意的结果。但工程流动问题，绝大多数的Re很大。这时，是否可以完全略去粘性力，使Navier-Stokes方程==>Euler方程（理想流体）。但是，这样的结果与实际情况相差很大。突出的一例即“达朗倍尔佯谬（paradox）——在流体中作等速运动的物体不受阻力”。究竟应当怎样才能正确地处理大Re数的流动呢？这个矛盾一直到1904年，德国流体学家普兰德（Prandtl）提出了著名的边界层理论（大Re数的流动中，大部分区域的惯性力>>粘性力，但在紧靠固——流边界的极薄流层中，惯性力≈粘性力），才令人满意地解决了大Re数的流动的阻力问题。后人把Prandtl 提出的流动边界层概念，推广到流动系统的传热边界层和传质边界层，从而确定传热、传质的速率以及了解有关的影响因素。还有人研究了边界层中的化学反应，解决了一些实际问题。因此，边界层理论被认为是近代流体力学的奠基石。 5.1.2 流动边界层（速度边界层）以平板流动为例，x方向一维稳态流动，在垂直壁面的y方向上，流动可划分为性质不同的两个区域：（1）y<δ（边界层）：受壁面影响，法向速度变化急剧，du/dy很大，粘性力大（与惯性同阶），不能忽略。（2）y>δ(层外主流层)：壁面影响很弱，法向速度基本不变，du/dy≈0。所以可忽略粘性力（即忽略法向动量传递）。按理想流体处理，Euler方程适用。这两个区域在边界层的外缘衔接起来，由于层内的流动趋近于外流是渐进的，不是突变的，因此，通常约定：在流动边界层的外缘处（即y＝δ处），u x＝0.99u∞， δ——流动边界层厚度，δ＝δ(x)。 5.1.3 传热边界层（温度边界层) 当流体流经与其温度不相等的固体壁面时（如图，x>x0段），在壁面上形成流动边界层，同时，还会由于传热而形成温度分布，可分成两个区域：（1）y<δt（传热边界层）：受壁面影响，法向温度梯度dt/dy很大，不可忽略，即不能忽略法向热传导。（2) y>δt（层外区域）：法向温度梯度dt/dy≈0，可忽略法向热传导。通常约定：在传热边界层的外缘处（即y＝δt处）， t s－t＝0.99(t s－t0) ≈t s－t0 δt——温度边界层厚度，δt＝f(x)；

大气边界层案例分析

大气边界层案例分析 1. 由下图分析晴天白天和夜间典型的风温垂直分布。分析：大气边界层中温度层级起着重要作用，层结的稳定与否决定了湍流的强弱，也就决定了边界层中气象要素的垂直分布(廓线)。图1.3.1是晴天白天和夜间典型的理想的风温垂直分布。在贴近地面的薄气层内(近地层SL)，白天由于地面强烈受热，形成贴近地面大气中超绝热温度递减率，而反映在位温上，即是/0z θ??<，风速则随高度递增。再向上，在边界层的大部分范围内θ有一个不随高度变化的气层，风速也是如此，相应温度呈绝热下降，我们称之为混合层(ML)。其原因是强烈的湍流混合使风、位温等垂直梯度减小，造成均匀分布。在边界层以上的自由大气(FA)中，温度恢复为自由大气的递减率，位温则随高度而增，风则接近地转风速。在自由大气与边界层间有一个过渡区域，其中各气象要素由边界层值逐渐过渡到自由大气。此层称为夹卷层(EZ)，在夹卷层中，发生着复杂的物理过程，从边界层中受热上升的气块可以穿透边界层与自由大气间的逆温而进入自由大气。同样，湍流、重力波等亦可使自由大气中具有较高位温的气块进入边界层，这种过程称为夹卷，在夹卷层中即进行着边界层与自由大气间的各种交换。典型夜间的风温廓线从图 1.3.1可看出在地面附近有一个逆温层，亦即稳定边界层(SBL)，在T 和θ上均体现出来，这是由于地面强烈冷却造成地面温度低于大气造成，在其上则是一个θ随高度变化很小的“残留层”(RL)，从成因来说，白天的对流边界层在夜间由于地面降温而在近地面形成逆温，但上部一段却保持着白天混合层的特征，使θ近于随高度不

变，并且在残留层与自由大气间仍有顶盖逆温(CI)，但残留层由于逆温层的存在已与地面脱离关系，其中湍流得不到发展的动力而逐渐衰减。夜间边界层的风场由于夜间湍流弱，湍流摩擦力减小，风速与白天比得到加强，因而呈现出有最大风在某高度出现。 2. 大气边界层是与人类活动关系最为密切的一层，大气边界层具有哪些基本特点？分析：大气边界层的基本特点有：（1）运动的湍流性大气边界层有别于其上的自由大气的基本特点就是其运动的湍流性。自由大气中也有时有“晴空湍流”存在，但不像边界层中湍流是始终占主导地位的流动。而边界层湍流运动也正是下垫面作用的结果。在地表空气运动速度为零；在海面，海水流动速度相对于空气而言也是非常小，因而在海面也可以近似看成风速为零。而在这个零风速与边界层某个高度处的某个风速之间就会形成巨大的风切变，即大的/u z ??。从动力学角度来看，气候系统中最大的摩擦在大气的最低层，在地球表面附近形成很大的风速垂直速度。根据湍流形成的条件，这种风速切变往往导致空气流动由层流状态向湍流状态转变的临界值。所以湍流运动成为行星边界层内流动的主要特征。按流体力学的混合长理论，如果/u z ??越大，则由流点垂直位移形成的扰动速度'u 也会越大，即越易形成湍流。这我们也可称为机械湍流，因为它纯由机械运动而形成。地表与大气的一个重要物理性质的差别是其辐射特性。地表白天强烈吸收日光辐射，使表面增温强烈，在地表与大气间形成一个强的超绝热的温度梯度，对做向上(向下)垂直运动的气块形成一个正(负)的净浮力，使垂直运动得到加速，加剧了湍流运动，此时温度层结是不稳定的。夜间地表因长波辐射而剧烈降温，形成与白天相反的垂直温度梯度，造成与白天相反的净浮力，减弱垂直运动。此时温度层结是稳定的。这种由温度层结形成的湍流运动可称为热力湍流，它是大气所特有的。由于下垫面的这种作用使得边界层内的温度垂直梯度远大于自由大气的温度垂直梯度，因而也造成了边界层内的强湍流。因为湍流受层结强烈影响，因而边界层内的气象要素的时空分布—它是湍流运动的直接结果---也受层结的强烈影响，这是与自由大气不同的。（2）受下垫面的影响巨大不同下垫面沙漠、土壤、植被、城市、水面等有不同的物理性质，它们的辐射性质、热容量、含水量、粗糙程度等均不相同，于是以后各自造成的对大气运动的动力影响及由于热力特性不同产生的不同温度状态及进而形成的不同层结状态就会造成不同的湍流，造成不同的边界层状态，因而下垫面的巨大影响是大气边界层的另一个重要特点。（3）日变化明显上面讲过边界层中湍流受层结的巨大影响，而层结有明显的日变化，因而边界层中湍流也有明显的日变化，从而造成了大气边界层的结构及气象要素的空间分布也有明显的日变化，这是边界层的又一特点。 3. 运动的湍流性是边界层中大气运动的重要特征，分析湍流的发展过程。分析：设在层流中线度为l 的某一区域发生了扰动速度'v ，其特征时间尺度将是/'l v τ=，

#第五章、大气环境保护概述

第五章大气环境保护概述5.1大气环境基础知识5.1.1大气污染 1、大气的成分地球表面附近的大气是包括颗粒尘埃在内的混合气体，其组成包括恒定的和不定的两种。在近地层大气中有氮、氧、氩、氖、氪、氙、氢等成分，其中氮、氧、氩占大气总量的99.96％，这三种成分的含量几乎不变。大气中的不定成份主要是自然过程和人为活动的排入大气污染物质，如物质燃烧的灰份，火山爆发的尘埃，风起的灰尘以及工业、交通排出的废气等。 2、大气污染大气污染也称空气污染，是指大气中的污染物质，当其数量、浓度、毒性以及大气中持续时间等因素的综合作用结果，可能会使某些地区的生物体的生命和人类的健康、或生产活动受到影响。（1）大气污染源通常把能产生大气污染物的场所、设备、装置等称为大气污染源。大气污染源总的来说有两类：一类是自然污染，如大风刮起的地面沙尘，森林火灾产生的CO2、NO2等。另一类是人类活动产生的污染物，如工矿企业、交通运输排出的废气、毒气、烟尘和放射性元素；燃料燃烧排出的碳氢化合物、CO、SO2和烟尘；另外还有散播的农药、核武器和化学武器的试验残余物等。（2）大气污染物大气污染物的种类和成份十分复杂。从污染物的物理性质来看，大气污染物可分为颗粒物质和气体污染物。烟尘、粉尘是固体颗粒物质，这些颗粒物质悬浮于大气中常称为气溶胶。直径大于10微米的颗粒物质叫“降尘”，它可以在离污染源较短的距离之内落到地面。直径小于10微米的叫“飘尘”，它们可以在大气中停留数小时甚至几年。上述污染物是由污染源直接排出的，称为一次污染物。有的一次污染物不稳定，在大气中经化学反应或光化学反应，形成新的污染物，称为二次污染物。 3、大气污染对人类的危害和影响大气污染物危害人体主要通过表面接触、呼吸、食入等途径。其对健康的危害主要表现为引起呼吸道疾病。在突然的高浓度污染物作用下可造成急性中毒。这里针对几种主要交通污染物对健康等方面的影响作简单介绍。（1）粉尘道路施工时会产生粉尘也叫尘埃，尘埃中粒径大于10微米的颗粒物，大多可被鼻腔和咽喉所捕集，不会进入肺泡。但粒径小于10微米的飘尘，即PM10长时间在空中飘浮，易被吸入呼吸系统。其中较小的微粒侵入到没有粘液层和纤毛层的肺的深部组织中并沉积下来。这些物质如果被溶解，就会直接侵入血液，可能造成中毒。未被溶解的物质可能被吞噬细胞所吸收，它们如果是有毒的，就会杀死该细胞，造成细胞破坏。未被吞噬细胞吸收的物质，则侵入肺组织或淋巴结，有可能造成尘肺和其它感染。（2）氮氧化物（NOx）和光化学烟雾一氧化氮(NO)无色、无刺激，化学性质不活泼。二氧化氮(NO2)为刺激性气体。空气中两者可以互相氧化还原，对呼吸系统都有毒性，但NO2的毒性比NO大5倍。NO能与血红蛋白结合，从而使血液的输氧功能下降，它还会使中枢神经受损，使人痉挛或麻痹。NO急性中毒会导致肺水肿或窒息而死亡。NO2对眼、鼻有强烈刺激。污染环境中肺功能明显受损，经常接触可形成慢性肺气肿或肺纤维化，NO2对心脏、肝脏、造血器官等脏器也有损害作用。空气中的NO，在阳光的作用下，还能与CO、CnHm等作用，生成光化学烟雾。这种烟雾对眼睛的刺激作用特别强，浓度大于0.1ppm时，短时间接触就能使泪流不止，甚至头痛、呼吸障碍：浓度增加到50ppm，人有死亡的危险。