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。
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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.。