干旱半干旱区粉尘释放过程的建模与仿真

论文摘要

粉尘释放对地球系统模式具有重要影响,与物理气候系统、生物地球化学循环、地貌演变、水循环、生态系统等多个主要系统与过程均有复杂的相互作用。干旱半干旱区粉尘释放过程所伴随的沙尘暴等自然灾害也是全球范围内的热点问题。颗粒跃移输运与土壤性质的时空变化是影响粉尘释放过程的最主要因素。近地表沙粒大小颗粒物的风力输运过程是粉尘释放的主要动力,而颗粒物形状与旋转等因素对其在气流中运动的影响一直没有被有效考虑,成为提高计算精度的瓶颈。对于风蚀和粉尘释放过程,已有的研究很少考虑土壤含水率的时空变化特征,并且现有土壤结构理论难以解释粉尘释放过程中的多阶段释放现象。为此,本博士论文在风沙物理学与土壤水动力学的研究方法的基础上,从非球形旋转沙粒跃移运动的微观流固耦合过程出发,对现有的风沙流输运模型进行修正,同时提出了能够完整描述干土层和湿土层中水分运动的土壤蒸发模型,以及包含自由尘层的土壤结构体系,最终建立了能够描述风力推动、土壤吹蚀、水分运动三种复杂物理机制相互耦合的粉尘动态释放模型。主要开展了以下工作:首先,将沙粒视为椭球形刚体,考虑其形状因素与旋转运动,基于动网格的方法研究了单颗沙粒与双沙粒系统跃移运动中的流固耦合规律。发现旋转运动使椭球形沙粒与流场产生了复杂相互作用,单颗沙粒的跃移高度与距离显著增加,但双沙粒系统中的流固耦合作用消耗了更多能量,其跃移高度与距离小于相同初始运动条件的单颗沙粒。旋转的双沙粒系统中,沙粒间稳定的气流减速区使下风向的沙粒更快跌落,发生前面沙粒越过后面沙粒的超越现象,从而降低沙粒间的空中碰撞概率。其次,对椭球形旋转沙粒所受到的气动力进行了修正,建立了平坦床面上充分发展的风沙输运过程模型,并对沙粒形状因素与旋转运动对宏观输运的影响进行了定量模拟。结果表明,风速较小时沙粒的形状参数对输沙率的影响较小,随着风速的增大沙粒的形状参数对输沙率的增益效果开始凸显,表现为输沙率随风速呈线性增加,且形状参数与这种线性关系的斜率具有相关性。长轴与短轴之比为2的沙粒所形成的风沙输运过程与实验结果最为接近,其形貌特征这也更符合现有的对沙粒形貌的研究结果同时,基于土壤水动力学的基本理论,建立了能够完整描述干土层和湿土层中水分运动的土壤蒸发模型,分析了蒸发过程中土壤水分的分布特性及变化规律。结果显示,在干土层形成前的稳定蒸发阶段主要消耗土壤自身储备的水分,在干土层形成前随含水率变化的蒸发阶段,主要依赖于深层土壤中水分的向上输运,但在干旱半干旱区的特定环境中,前者很难形成,后者的持续时间也相对较短。干土层形成后,开始阶段其增长速率较低但增长趋势明显,中期其增长速率即进入相对稳定的阶段,后期的增长速率则出现了小幅度降低。蒸发速率自干土层形成后便迅速降至较低水平并保持相对稳定,随着干土层厚度的增加出现了小幅度下降。最后,将基于风沙输运过程的风蚀模型、包含干土层和湿土层的土壤蒸发模型以及包含自由尘层的土壤结构理论进行有效耦合,建立了粉尘动态释放模型并对典型情况进行了数值模拟。发现粉尘释放过程分为三个主要阶段。首先进行的是自由尘为供给主体、以流体夹带释放为主要机制的阶段,此阶段的高粉尘释放速率随时间迅速降低,反映了自由尘的供给限制。之后为以干土层为供给主体、跃移轰击释放和团粒破碎释放为主要机制的阶段,粉尘释放率显著降低,干土层的厚度是主要限制因素。最后是以湿土层为供给主体、跃移轰击释放和团粒破碎释放为主要机制的阶段,粉尘释放率处于极低水平,土壤含水率成为主要限制因素。

论文目录

• 中文摘要
• Abstract
• 第一章 绪论
•   1.1 研究背景和意义
•   1.2 研究现状
•     1.2.1 颗粒形状与旋转的研究现状
•     1.2.2 地表含水率对风蚀影响的研究现状
•     1.2.3 土壤蒸发模型的研究现状
•     1.2.4 粉尘释放的研究现状
•   1.3 现有研究的不足
•   1.4 本文工作的主要内容
• 第二章 沙粒形状与旋转对其微观运动的影响
•   2.1 沙粒运动的流固耦合模型
•     2.1.1 流场控制方程
•     2.1.2 颗粒运动模拟方法
•   2.2 数值计算模型建立
•     2.2.1 椭球形沙粒模型参数
•     2.2.2 计算域及计算参数
•     2.2.3 计算流程
•   2.3 旋转椭球形单颗沙粒跃移运动模拟
•     2.3.1 沙粒跃移运动中与流场的相互作用
•     2.3.2 沙粒的跃移轨迹及受力分析
•   2.4 旋转椭球形双沙粒系统跃移运动模拟
•     2.4.1 双沙粒系统与流场的相互作用
•     2.4.2 双沙粒系统的跃移轨迹及受力分析
•   2.5 粒径与球形度对旋转双沙粒系统跃移运动的影响
•   2.6 本章小结
• 第三章 沙粒形状与旋转对风沙宏观输运过程的影响
•   3.1 风沙宏观输运过程模型
•     3.1.1 流场控制方程
•     3.1.2 沙粒运动方程
•     3.1.3 沙粒起跳的线速度与角速度分布
•     3.1.4 空中沙粒群对流场的阻力
•     3.1.5 统计单宽输沙率
•   3.2 计算设置与流程
•     3.2.1 初始条件及参数设定
•     3.2.2 计算流程
•   3.3 沙粒形状与旋转对输沙率的影响
•   3.4 沙粒形状与旋转对输沙廓线的影响
•   3.5 沙粒形状与旋转对浓度与风速的影响
•   3.6 本章小结
• 第四章 土壤水分蒸发过程的建模与模拟
•   4.1 土壤蒸发运动的基本理论
•     4.1.1 土壤中水的形态
•     4.1.2 土壤中水的能态
•     4.1.3 土水特征曲线与土壤水分运动参数
•     4.1.4 土壤蒸发运动
•   4.2 非饱和土壤水分运动模型
•     4.2.1 湿土层的水分运动模型
•     4.2.2 干土层的水分运动模型
•     4.2.3 湿土层与干土层的转变
•   4.3 计算设置与流程
•     4.3.1 初边值条件与计算设置
•     4.3.2 计算流程与方法
•   4.4 土壤初始含水率的影响
•     4.4.1 对土壤水分分布的影响
•     4.4.2 对干土层形成与发展的影响
•   4.5 蒸发速率的影响
•     4.5.1 对土壤水分分布的影响
•     4.5.2 对干土层形成与发展的影响
•   4.6 本章小结
• 第五章 粉尘释放的动态模型与模拟
•   5.1 粉尘动态释放模型
•     5.1.1 蒸发速率的风速表征
•     5.1.2 自由尘层结构与释放模型
•     5.1.3 土壤颗粒粒径分布
•     5.1.4 土壤颗粒输运过程
•     5.1.5 地表吹蚀过程
•   5.2 计算设置与流程
•     5.2.1 计算设置
•     5.2.2 计算流程
•   5.3 粉尘动态释放过程中的土壤含水率变化
•   5.4 粉尘动态释放过程中的土壤蒸发与结构变化
•   5.5 粉尘动态释放过程中的不同阶段
•   5.6 本章小结
• 第六章 总结与展望
•   6.1 本文主要结论
•   6.2 本文展望
• 参考文献
• 在学期间的研究成果
• 致谢

文章来源

类型: 博士论文

作者: 顿洪超

导师: 黄宁,张洁

关键词: 沙粒形状,沙粒旋转,风沙流,蒸发,含水率,粉尘释放

来源: 兰州大学

年度: 2019

分类: 基础科学,农业科技

专业: 气象学,农业基础科学,农艺学

单位: 兰州大学

基金: 国家自然科学基金项目(41371034)(11172118)(11772143),国家自然科学基金创新群体项目(11421062)

分类号: P425.55;S152

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