湍流边界层中颗粒流体释放的标度律研究

发布时间：2020-06-06 11:31

【摘要】：大气边界层中的风致颗粒物输运是最为常见的自然现象,如风吹雪、风吹沙以及扬尘等,而由此引发的诸如冰雪天气、沙尘暴等自然灾害及其次生灾害则是当前社会最为关注的环境问题之一。颗粒物在风力作用下直接从地表进入空中的过程被称为颗粒的流体起动,是风致颗粒物输运最为关键的物理过程之一。早期的研究认为,流体起动只是颗粒跃移运动的诱发因子,其释放量在充分发展的颗粒流中所占比例很小,可以忽略不计。迄今为止,关于流体释放的研究少之又少。而近期的观测和实验结果表明,在一些特殊情况下,比如低风速、有限沙源地表以及对流湍流等,流体释放在颗粒物输运中具有重要的作用。因此,本文首先回顾了流体释放的主要研究现状,并总结了存在的问题,然后通过风洞实验定量观测了不同粒径颗粒的流体释放率,发现了流体释放率与地表剪切力的标度律关系;通过在风洞中加布的方法改变风洞边界层的风场特性,分析了不同风场结构对流体释放率的影响,探讨了流体起动阈值的定义和流体释放在整个颗粒流运输过程中可能起到的作用,具体结论如下:(1)提出了通过加布在风洞中改变边界层的风场特性的实验方法,并根据频谱分析结果,发现该方法可以使风场湍流频谱结构与野外非稳定大气边界层相似,进而研究这种风场条件对流体释放率的影响。(2)发现了颗粒的流体释放率随平均地表剪切力的变化在低风速和高风速时表现为两种规律:低风速时,流体释放率呈现为指数增长的规律;高风速时,流体释放率呈现为线性增长的规律。通过对不同风速时对应的瞬时地表剪切力分布的分析,发现其原因是大于临界值的瞬时地表剪切力比例发生变化导致的。并由此建立了考虑地表剪切力分布和流体临界值分布的概率释放率模型,能够适用于不同风速条件下流体释放率的预测;(3)发现大风速时流体释放颗粒的平均逃逸速度随着风速的变化并不明显,只与颗粒的粒径相关,这和充分发展的风沙流中地表颗粒的速度保持稳定相似。
【图文】：

世界,矿物粉尘,农业生产力,世界卫生组织

图 1-1 世界荒漠化土地分布（图源维基百科）其次，矿物粉尘气溶胶对人类生活和健康也具有重大的危害。粉尘释放会带走土壤中的养分，导致土地退化，降低农业生产力（Shao,2008）。空气中的粉尘颗粒会深入人体的呼吸道系统，进而进入心血管系统，危害人类健康。据世界卫生组织报告，世界上每 10 人中就有 9 人仍然呼吸着污染物浓度较高的空气，估

摩阻速度,颗粒粒径,文献,起动风速

图 1-2 实验文献中的临界摩阻速度随颗粒粒径的变化（Raffaele et al., 2016）随着数值模拟和大气模式的不断发展，越来越多的研究者开始关注颗粒起动风速的不确定性问题。因此，，提出具有实际应用价值的临界风速的定义具有十分重要的意义。
【学位授予单位】：兰州大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2018
【分类号】：O357.5

【参考文献】