风沙运动力学建模的若干基础问题环境力学夏季讲习班－顾兆林-part1

Xi’anJiaotongUniversityXi’anJiaotongUniversityXi’anJiaotongUniversity风沙运动力学建模的若干基础问题——Part1主讲人：顾兆林单位：西安交通大学Email:[e-mail]2010-08-20Xi’anJiaotongUniversityXi’anJiaotongUniversityXi’anJiaotongUniversity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Xi’anJiaotongUniversityXi’anJiaotongUniversityXi’anJiaotongUniversityPart1引言：风扬粉尘现象及力学特点Xi’anJiaotongUniversityXi’anJiaotongUniversityXi’anJiaotongUniversity西北干旱区粉尘输送的两种形式Duststorm（沙尘暴）—Meso-scalemeteorologicalprocess,themaximumvelocitymorethan20m/s)Dustdevil（尘卷风）—Micro-scalemeteorologicalprocess,Themaximumvelocityaround20m/sXi’anJiaotongUniversityXi’anJiaotongUniversityXi’anJiaotongUniversity沙尘暴的气象要素AMesoscalemeteorologicalprocess,composedofstrongconvectioncellsHeightofdustfront300-400mLengthofdustfrontaround100kmseconddustfront10-20kmHorizontalvelocitymorethan20ms-1Verticalvelocitymorethan15ms-1Temperatureincrement(DT)4–8KPressuredepression(Dp)2.0–3.5hPaΔTandΔparetemperatureandpressuredeparturesfromambientvalues.Xi’anJiaotongUniversityXi’anJiaotongUniversityXi’anJiaotongUniversity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。Xi’anJiaotongUniversityXi’anJiaotongUniversityXi’anJiaotongUniversity尘卷风的气象要素--Sinclair(1966)Xi’anJiaotongUniversityXi’anJiaotongUniversityXi’anJiaotongUniversity尘卷风的气象要素DiameterTensto141mHeight300–660mHorizontalvelocity5-20m/sVerticalvelocity3–15m/sRotationsenseRandomTemperatureincrement(ΔT)2–8KPressuredepression(Δp)2.5–4.5hPaΔTandΔparetemperatureandpressuredeparturefromambientvalues.Xi’anJiaotongUniversityXi’anJiaotongUniversityXi’anJiaotongUniversity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/3-280.110-6～10-7跃移层3055-720.25～0.510-4蠕移层/7-250.5～2/Xi’anJiaotongUniversityXi’anJiaotongUniversityXi’anJiaotongUniversity风沙运动电场—以尘卷风为例Xi’anJiaotongUniversityXi’anJiaotongUniversityXi’anJiaotongUniversity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。Xi’anJiaotongUniversityXi’anJiaotongUniversityXi’anJiaotongUniversity风-沙-电耦合力学建模的基础问题静电模型风沙电耦合数值模型多相耦合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Xi’anJiaotongUniversityXi’anJiaotongUniversityXi’anJiaotongUniversityPart1.1风沙运动的颗粒动力学静电起电机制Xi’anJiaotongUniversityXi’anJiaotongUniversityXi’anJiaotongUniversity风沙运动的颗粒动力学静电起电机制H+HO-H+HO-H+HO-H+HO-H+HO-H+HO-H+HO-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Xi’anJiaotongUniversityXi’anJiaotongUniversityXi’anJiaotongUniversityH+HO-H+HO-H+HO-H+HO-H+HO-H+HO-H+HO-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粒（冷颗粒）Xi’anJiaotongUniversityXi’anJiaotongUniversityXi’anJiaotongUniversity基于水电离理论的动力学静电机制H+HO-H+HO-H+HO-H+HO-H+HO-H+HO-H+HO-WaterfilmHotsandColdsandV1V2HotsandH+HO-H+HO-H+HO-H+HO-H+HO-H+HO-H+HO-H+HO-H+HO-H+HO-H+HO-H+HO-H+HO-H+HO-H+HO-+Waterfilm－ColdsandXi’anJiaotongUniversityXi’anJiaotongUniversityXi’anJiaotongUniversity风沙运动的颗粒动力学•沙粒的碰撞接触带电机制包括热量传递和颗粒周围电场的作用•颗粒温度的改变只与摩擦力做功相关，相互碰撞的颗粒间法向变形与切向变形很小，其形变能量被忽略Xi’anJiaotongUniversityXi’anJiaotongUniversityXi’anJiaotongUniversity三种颗粒系统的静电带电过程的数值模拟沙尘暴、尘卷风发生时，其升空的沙粒呈现了分层现象，因此在颗粒动力学的计算中采用三种直径的颗粒，以示沙粒直径的分散性．三种沙粒直径分别为0.1mm，0.2mm和0.4mm；三种沙粒的数量分别为750，100，50．三种沙粒的数量比例是根据甘肃采样的的粒径的分析结果选取的所有的颗粒预先放在一个方形的盒子中，而且运动也限制在这个方形区域中，因此，将会发生颗粒与颗粒、颗粒与墙壁两种碰撞，这两种碰撞形式均认为是弹性碰撞在模拟计算中，时间步长为10-6s，整个计算的时间为100s，颗粒的初始化相对温度为T0=0K，即所有颗粒温度的初始温度是相同的Xi’anJiaotongUniversityXi’anJiaotongUniversityXi’anJiaotongUniversity数值实验Xi’anJiaotongUniversityXi’anJiaotongUniversityXi’anJiaotongUniversity不同大小颗粒总带电量随时间的变化020406080100-1600-1400-1200-1000-800-600-400-200020040060080010001200带电量/uC时间/s大颗粒中颗粒小颗粒Xi’anJiaotongUniversityXi’anJiaotongUniversityXi’anJiaotongUniversity单个大颗粒荷质比随时间的变化020406080100-50050100150200250300荷质比(uC/Kg)时间/sXi’anJiaotongUniversityXi’anJiaotongUniversityXi’anJiaotongUniversity单个中间颗粒荷质比随时间的变化020406080100-150-100-50050100150200250300时间/s荷质比(uC/Kg)Xi’anJiaotongUniversityXi’anJiaotongUniversityXi’anJiaotongUniversity单个小颗粒荷质比随时间的变化020406080100-300-200-1000100荷质比(uC/Kg)时间/sXi’anJiaotongUniversityXi’anJiaotongUniversityXi’anJiaotongUniversity样本颗粒温度-2002040608010012014016018020001020304050颗粒相对温度样本颗粒编号小颗粒中颗粒大颗粒Xi’anJiaotongUniversityXi’anJiaotongUniversityXi’anJiaotongUniversity几点讨论基于水电离理论和颗粒碰撞动力学模型，数值模拟结果很好地解释了尘卷风大颗粒带正电、小颗粒带负电的观测事实和试验结果如果相对湿度低于某一特定值，颗粒表面的水分子薄层将不能够形成或只能部分形成．此时，发生碰撞的颗粒间离子迁移存在很大的随机性，即在接触面上同时有水分子薄层时离子才会发生迁移，导致总的颗粒带电量急剧减少或不产生静电湿度较大时，由于水蒸气的热交换的强烈抑制，颗粒表面温度不容易变化，碰撞过程也不能产生静电Xi’anJiaotongUniversityXi’anJiaotongUniversityXi’anJiaotongUniversityPart1.2离散单元法的非球形颗粒效应Xi’anJiaotongUniversityXi’anJiaotongUniversityXi’anJiaotongUniversity传统的DEM方法Xi’anJiaotongUniversityXi’anJiaotongUniversityXi’anJiaotongUni