計算流體力學對沙塵暴的計算分析

 

 

我國特別是北方是沙塵天氣頻發的地區，據粗略統計，我國每年因風沙危害造成的直接經濟損失高達540億元人民幣。近年來，人們越來越意識到風沙研究的重要性。對於超高，大跨和輕質建築物，結構對風作用的敏感性大大增強，致使風荷載成為此類建築控製設計的主要荷載之一。通過運用CFD對風沙共同作用下建築物周圍風場進行數值模擬，可以對建築形態對風沙分布形態的影響進行分析，從而優化建築設計，改善建築所在區域的空氣質量。

計算流體動力學的基本思想是：把原來在時間域和空間域上連續的物理量的場用有限個離散點上變量值的集合來代替，通過一定的原則和方式建立關於這些離散點上場變量的代數方程組，求解獲得場變量的近似值。風沙兩相流的數值模擬，根據把第二相(顆粒相)看成離散個體或連續流體分為歐拉一拉格朗日方法和歐拉一歐拉方法。CFD軟件在模擬多相流方麵就是基於這兩種算法。

沙粒運動形式

沙粒運動是風沙兩相流和風沙地貌研宄中的重要組成部分。沙粒運動主要有蠕移，躍移和懸移三種形式。

懸移 沙粒懸浮在空氣中流動而不與地麵接觸。懸移物質的顆粒細小，一般直徑小於0.2mm，搬運距離較遠、位置較高，占總搬運量的5%?10%。

躍移 沙粒以跳躍方式貼地表隨風運動。躍移物質顆粒較粗，一般直徑 為0.2-0.5mm之間，占總搬運量的70%~80%，是風沙流最主要的搬運方式。

蠕移 沙粒沿地表滑動或滾動。蠕移物質顆粒最粗，一般直徑大於0.5mm，占總搬運量的15%?20%。

風沙流結構特征

沙粒濃度隨高度的分布 野外觀測的數據顯示，氣流搬運的沙量絕大部分（90%以上)是在沙麵以上30cm的高度內通過的，尤其是集中在0?10cm的高度(約占80%)，也就是說風沙運動是一種近地麵的沙粒搬運現象。

風沙流風速廓線 風沙流邊界層自地表麵上可分為內外兩層，內邊界層為躍移邊界層，外邊界層為懸移層。躍移邊界層和懸移層區別的關鍵是：在躍移邊界層內躍移顆粒與氣流之間發生複雜的動量傳輸，而在外邊界層中，這種作用及其微弱。

輸沙率 氣流在單位時間通過單位寬度或麵積所搬運的沙量叫做風沙流的固體流量，也稱為輸沙率。影響輸沙率的因素很複雜，它不僅取決於風力的大小、沙粒粒徑、形狀和沙粒比重，而且也受沙粒的濕潤程度、地表狀況及空 氣穩定度的影響，所以要精確地表示風速與輸沙量的關係是較困難的。到目前為止在實際工作中對輸沙率的確定，一般仍多采用集沙儀在野外直接觀測，然後運用相關分析方法，求得特定條件下的輸沙率與風速的關係。

沙塵暴天氣大氣氣溶膠特征

我國華北地區春季風沙天氣氣溶膠的來源主要為沙漠，沙化土地的塵粒，土壤微粒， 風蝕沙塵及建築工地的水泥石灰塵等自然源，其物理化學特征與無風沙時的氣溶膠有明顯差異。主要表現為自然排放的特征，人為汙染影響相對減弱。造成北京風沙天氣機率最大的是揚沙，占707%左右，其次是浮沉，25%左右，而沙塵暴僅占5%。

CFD計算分析

湍流模型 湍流模型采用剪切應力輸運k-ω模型

多相流模型 多相流模型選用Mixture模型

風沙濃度顯示

 

[路邊的小草]

論文發錯地方了。