热扩散、热对流对风沙运动的影响研究

论文摘要

本文针对风沙运动中由于地表温度引起的近地层大气热扩散-热对流的动力学问题,结合风沙电这一自然现象,开展了有关地表温度作用下热对流和热扩散流场中的风沙运动机理微宏观方面的一些理论建模及分析研究。首先从理论上系统分析了床面沙粒在流场作用下的起动和跃移;进而定量分析了地表温度作用下风沙流中的输沙律、单宽输沙率及风沙电场随风沙流发展过程的变化等宏观物理量;最后通过理论模拟再现了大气边界层热对流对风沙运动的影响等。主要研究内容如下:1、在考虑地表温度作用的基础上,建立热对流-热扩散方程,数值模拟了热扩散、热对流-热扩散、强热对流下的风场动力,是后面章节研究风沙运动的基础。2、在水平风速和热扩散产生的垂向风速的作用下,数值计算了热扩散流场中沙粒的起动及其跃移轨迹;结果发现床面温度越高,沙粒的起动风速越小;而且使得沙粒跃移轨迹的最大高度和跨度都变大。3、在风沙流中风沙电场是变化的。从而建立受热扩散影响下的风速（垂直和水平风速）、沙粒运动和电场相互耦合的风沙运动理论模型,数值计算了在风沙流发展过程中带电沙粒产生的随时间变化的风沙电场、单宽输沙率及输沙率等物理量。4、在考虑地表温度作用的近地层流场的基础上,通过建立近地层（50米以下）热对流及热扩散的气流运动方程等,采用大涡模拟的方法,数值模拟了近地层的流场及沙尘运动规律,为地表层沙尘向高空运动过渡建立了联系。5、从局部地表高温对近地层大气运动的影响出发,数值模拟了强热对流引起尘卷风的演化过程及沙尘在尘卷风中的运动情况等,从理论上证明了热泡是引发尘卷的主要因素。并对尘卷中带电沙粒形成的电场进行了定量研究。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 目录
• 第一章 绪论
• 1.1 研究意义和目的
• 1.2 研究现状概述
• 1.2.1 单颗沙粒的运动机制
• 1.2.2 风沙流结构的研究
• 1.2.3 近地层风沙运动的研究
• 1.2.4 尘卷风的研究
• 1.2.5 已有研究工作的不足
• 1.3 本文的主要工作内容
• 第二章 热扩散、热对流下的风场基本方程
• 2.1 地表能量
• 2.1.1 地表能量平衡方程
• 2.1.2 土壤热通量项计算
• 2.2 热扩散流场
• 2.2.1 热扩散方程
• 2.2.2 热扩散流场的数值模拟
• 2.3 热对流流场
• 2.3.1 热对流方程
• 2.3.2 边界层湍流参数化方法
• 2.3.3 热对流流场的数值计算方法
• 2.3.4 热对流流场的数值模拟
• 2.4 热对流-热扩散流场
• 2.4.1 热对流-热扩散方程
• 2.4.2 近地层流场的数值计算
• 2.5 计算程序验证算例
• 2.5.1 基本方程及初值边界条件
• 2.5.2 计算结果对比
• 2.6 小结
• 第三章 热扩散对风沙流中单颗沙粒运动的影响
• 3.1 沙粒的起动
• 3.1.1 热扩散流场作用下地表沙粒受力分析
• 3.1.2 沙粒起动方程
• 3.1.3 沙粒的起动分析与计算
• 3.2 热扩散对沙粒运动轨迹的影响
• 3.2.1 沙粒跃移运动方程
• 3.2.2 沙粒运动中的流场及计算
• 3.2.3 结果分析
• 3.3 小结
• 第四章 热扩散对风沙流的影响
• 4.1 基本方程
• 4.1.1 热扩散及电场作用下跃移沙粒的受力分析
• 4.1.2 风沙流中的电场方程
• 4.1.3 热扩散及电场作用下沙粒的运动方程
• 4.1.4 跃移沙粒量的计算方法
• 4.1.5 跃移沙粒对风场反作用力的计算方法
• 4.1.6 输沙率的计算方法
• 4.2 计算流程
• 4.3 计算结果及讨论
• 4.3.1 热扩散对风沙流的影响
• 4.3.2 不同地表温度对风沙流的影响
• 4.3.3 热扩散和风沙电场对风沙流的影响
• 4.3.4 稳态风沙流的等温流动判断
• 4.4 小结
• 第五章 热对流、热扩散对风沙运动的影响
• 5.1 热对流-热扩散作用下的近地层沙尘输移
• 5.1.1 沙粒粒径分析
• 5.1.2 起沙模式
• 5.1.3 计算结果及讨论
• 5.2 热对流形成的尘卷风
• 5.2.1 二维尘卷数值计算方法
• 5.2.2 二维尘卷风的演化过程
• 5.2.3 三维尘卷流场计算模型
• 5.2.4 三维尘卷中沙尘的运动方程及电场方程
• 5.2.5 计算流程
• 5.2.6 结果分析一:尘卷风流场
• 5.2.7 结果分析二:单一粒径沙粒尘卷及其形成的电场
• 5.2.8 结果分析三:混合粒径沙粒尘卷及其形成的电场
• 5.3 小结
• 第六章 结束语
• 参考文献
• 附录
• 致谢