三维下击暴流流场特征的数值仿真研究

发布时间：2020-08-23 12:36

【摘要】：沙尘暴是在土壤高度沙化地区出现的特殊灾害现象,其形成需满足充足沙源、强劲风力和不稳定大气环流等三个要素。然而,沙尘暴的动力条件的成因和沙尘壁锋面形态与下击暴流单体的动力结构特征有关。因此,掌握下击暴流风场结构特征为研究沙尘暴奠定了理论基础。当前,对沙尘暴的研究普遍是使用气象观测方法来探讨其成因分析和动力机制,而针对沙尘暴的动力条件,即下击暴流单体产生的地面强风的数值模拟较少。本文主要通过数值模拟研究稳态三维下击暴流风场特性,探讨了下击暴流风剖面特征,对模型的准确性进行了验证,并讨论了不同射流参数:入口速度V_(jet)、出流高度H和倾角?对雷暴冲击风流场特征的影响。主要研究内容包括以下几部分:1.详细介绍了下击暴流流场的基本控制方程,介绍了相应的湍流封闭模型,并选定SST k-?作为本文的湍流封闭模型,介绍了近壁面的处理方式。2.首先,将计算结果与Chay等人的实验结果进行对比,验证了模型的准确性和可行性。另外,得出下击暴流风场具有四个风剖面,结果表明其水平风速在接近地面一定高度内达到峰值风速,后随高度增加呈减小的特征,并且与指数分布的大气边界层风剖面截然不同。3.在以上基础上,讨论了入口速度V_(jet)、出流高度H和倾角?等不同参数对下击暴流的风剖面的影响。研究表明:入口速度V_(jet)对水平风速的竖向风剖面的影响较小;出流高度H与倾角?对水平风速竖向风剖面的影响较为显著。
【学位授予单位】：兰州大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2019
【分类号】：P425.55
【图文】：

沙尘暴,能见度

研究背景及意义我国西北地区地处多个沙漠附近且植被稀少、降雨少、春秋季节气温高与西伯利亚冷高压形成极大压差，冷锋过境时容易引发沙尘暴。在大力发的环境下，造成了大量生态环境的严重破坏，荒漠化和环境污染引起了人泛关注。自 20 世纪以来，我国土地沙化日趋严重且沙漠化增加的速度呈趋势。风沙灾害造成重大的经济损失和惨重的人员伤亡、易对人类健康造、迟滞国家经济的发展，广泛受到人们的关注，如 1-1 所示。沙尘暴是发生在土壤高度沙化地区出现的特殊灾害现象，伴随着黄沙漫天地暗、空气混浊能见度低的天气现象[1]。我们根据沙尘暴发生时的能见尘暴分为三个等级[2]：能见度处于 500~1000m 范围内时为沙尘暴；能见度50~500m 范围内时为强沙尘暴；能见度小于 50m 时为特强沙尘暴，俗称黑Zheng 和 Huang 等人[3-9]通过长期的风洞试验、野外观测、理论研究和数等手段，从基本力学行为出发，对近地层风沙运动的形成和发展过程展开的研究，取得了很大的研究进展，进一步丰富了风沙物理学的研究内容治沙工程提供了重要的理论依据。

剖面示意图,沙尘暴

图 1-2 沙墙剖面示意图动力条件进行研究，认为飑线是导致沙近产生的强风是沙尘暴发生的基本驱强对流是沙尘暴形成的主要诱因。赵光下击暴流所产生的地面大风是强沙尘数据对 2013 年 7 月 30 日发生在河西表明在下击暴流作用下所产生的地表大

飑线天气,剖面示意图,下击暴流

图 1-3 飑线天气系统剖面示意图[29]风沙运动的研究，其颗粒运动的动力条件普遍是使用的，然而在下击暴流或飑线等在近地表产生的风廓线条关研究则非常少。因此，以研究下击暴流单体流场特征和沙尘暴有着重大的意义。本文主要通过计算机数值模大型计算软件来研究引发沙尘暴大风——下击暴流，场特征，以及探讨不同射流参数对流场中风速廓线的影尘壁在不断的移动，且沙尘壁的锋面与下击暴流径向风相似处，所以研究下击暴流风场的特征对后期推断沙墙以上研究作为基础，为后续模拟下击暴流形成的大风，进而详细研究下击暴流引起风沙流结构、风沙输运以的发生机理提供参考。明确掌握下击暴流在近地表产生，继而可以通过这种风速廓线进一步研究风沙流结构、浓度等，为防沙治沙工程的预防和治理提供新的解决方

【参考文献】