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风沙运动力学建模的若干基础问题 ——Part 1 主讲人:顾兆林 单位:西安交通大学 Email: guzhaoln@mail.xjtu.edu.cn 2010-08-20提 纲1 引言:风扬粉尘现象及力学特点 1.1 风沙运动的颗粒动力学静电起电机制 1.2 离散单元法的非球形颗粒效应 1.3 传热离散单元法 1.4 颗粒群体平衡方程的高效数值解法 1.5 地表植被层湍流的大涡模拟2 风沙运动的两相流模拟-尘卷风为例3 风沙运动的风-沙-电耦合模拟Part1引言:风扬粉尘现象及力学特点西北干旱区粉尘输送的两种形式Dust storm(沙尘暴)—Meso-scale meteorological process, the maximum velocity more than 20m/s)Dust devil(尘卷风)—Micro-scale meteorological process,The maximum velocity around 20m/s沙尘暴的气象要素 A Mesoscale meteorological process, composed of strong convection cells Height of dust front 300-400 m Length of dust front around 100 kmsecond dust front 10-20 km Horizontal velocity more than 20 ms-1 Vertical velocity more than 15 ms-1Temperature increment (DT ) 4–8 KPressure depression (Dp) 2.0–3.5 hPa ΔT and Δp are temperature and pressure departures from ambient values.尘卷风尘卷风是一种发生在大气对流边界层内,能将沙尘或者碎屑等物体扬到高空、具有温度较高的低压核心和较短生命周期的旋风,是自然界中一种最常见的自然现象。 尘卷风的气象要素-- Sinclair (1966)尘卷风的气象要素 Diameter Tens to 141mHeight 300–660mHorizontal velocity 5-20 m/s Vertical velocity 3–15 m/sRotation sense RandomTemperature increment (ΔT ) 2–8KPressure depression (Δp) 2.5–4.5 hPaΔT and Δp are temperature and pressure departure from ambient values.风沙运动的气固两相流高度(cm)含沙量(%)沙粒直径(mm)体积浓度悬移层/3-28<0.110-6 ~ 10-7跃移层<3055-720.25~0.510-4蠕移层/7-250.5 ~2/风沙运动电场—以尘卷风为例风扬粉尘过程的物理-力学特点空气流场的复杂性,如沙尘暴的气旋理论(中尺度)、尘卷风的热泡理论(微尺度)等地表滚动的沙粒蠕移运动;近地风沙流层内沙粒离开地面的跃移运动;离开地面升空形成尘埃或悬浮于空中的悬移运动 。跃移层内颗粒相处于浓相;悬移层内颗粒相处于稀相。颗粒大小呈现分布,形状各异,而且静电场作用下颗粒相产生复杂运动,包括带电颗粒的湮没、电荷增长或减小等。风-沙-电耦合力学建模的基础问题不同直径沙粒的碰撞的静电起电机制离散单元法的非球形颗粒效应传热离散单元法群体平衡方程的高效数值解法地表植被层湍流的大涡模拟风沙运动的两相流模拟-尘卷风为例风沙运动的风-沙-电耦合模拟Part 1.1风沙运动的颗粒动力学静电起电机制HO-H+HO-HO-H+H+H+H+HO-H+HO-HO-HO-H+风沙运动的颗粒动力学静电起电机制在水蒸气分压的作用下,在沙粒表面将存在水分子薄层在沙粒表面的水分子薄层中,水电离产成H3O+和OH-离子,两种离子的浓度随沙粒温度的增加而增大.对于单个沙粒,由于正负离子数相同,其宏观呈中性.如果沙粒不运动,沉积在地表、相互接触,沙粒的表面温度是一致的,沙层表面也不呈现电性 风沙运动的颗粒动力学静电起电机制当两个温度不同或水分子薄层正(负)离子浓度不同的粒子相接触时,带电离子将从浓度高的地方迁移到浓度低的地方;在短暂的接触时间内,上述迁移过程不可能充分发展,由于H3O+比OH-的移动速度大10倍 [Eigen, Proc. Roy. Soc. London, 1958],因而在两个颗粒脱离接触前,较多的H3O+从温度相对高的颗粒(暖颗粒)迁移到温度相对低的颗
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