湍流大尺度结构及其对风沙跃移影响的大涡模拟
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摘要
风沙流是发生在大气近地层的气固两相流,起沙量、输沙通量一直是风沙运动研究的重点,是控制风沙灾害和沙尘预报的关键参数。在现有风沙流模型和风洞实验中,主要考虑平均风速对沙粒(尘)的作用,无法解释野外观测到的输沙现象,如:风速小于理论临界起动风速时仍存在输沙,野外输沙具有间歇性,实际风沙流以"条带"结构组织,输沙通量时空变化明显等。以平均风速(或剪切风速)预测的输沙通量之间误差可达三倍以上。大气边界层湍流是雷诺数为108-9的高雷诺数壁湍流,是近年湍流研究的热点。因此,对实际非平稳跃移输沙起动、输运机制的认识和预测必须充分借鉴高雷诺数湍流研究的最新研究成果。高雷诺数条件下,壁湍流中出现有组织的大/超大尺度含能结构,通过影响内外区的湍动能生成和湍流统计特性来影响沙粒(尘)的起跳和跃移特性。采用大涡模拟与沙粒点力模型相结合的方法,数值模拟跃移风沙流,分析湍流结构对跃移输沙的影响。其中,对流场大涡模拟采用二阶精度差分格式、尺度依赖亚格子模型和近壁涡粘修正,获得超大尺度湍流结构,其流向与展向尺度分别为20δ、0.6δ(δ为边界层厚度)。结合Marusic等提出的考虑外区大尺度结构对壁面剪切应力调制作用的大涡模拟壁模型(IOSI),首先分析在风速接近起动风速条件即:流体起动对输沙起较大贡献时的跃移输沙,结果表明,与平衡律壁模型(SG)相比,IOSI壁模型能够预测更高的壁面剪切应力脉动和输沙率;风速越小,影响越大。当风速远大于流体起动风速即:击溅过程(沙粒与床面碰撞导致反弹并溅起其它沙粒)占主导时,模拟风沙流显示清晰条带结构,其长度尺度与野外观测结果一致,空间相关分析与条件平均分析表明,跃移沙粒在近地表流向涡的作用下聚集于低速的大尺度结构中,是形成条带结构的重要原因。
引文