以计算流体动力学模型（CFD）模拟的戈壁地表风沙两相流运动特征

doi:10.7522/j.issn.1000-694X.2023.00047

摘要/Abstract

摘要：

尘暴过程中沙砾质戈壁地表的风沙两相流运动，一直是风沙物理学关注的问题。但由于技术限制，野外观测及风洞实验难以捕捉大规模颗粒运动。为此，本文通过构建流体-颗粒碰撞互馈模型进行三维场域数值模拟，分析了不同砾石盖度下尘暴来流中的风沙两相流运动规律。结果表明：基于三维场流体-颗粒碰撞互馈模型修正后的求解结果能够较为准确地模拟戈壁地表风沙两相流运动过程。（1）不同来流尘暴过程，风相速度均会随砾石盖度的增大而减小，并在砾石盖度大于40%的戈壁近地表形成拜格诺焦点。相较于风相，沙相降速不明显。此外，距砾石床面4 cm以上，风沙两相速度基本保持一致。（2）当尘暴速度大于10 m·s^-1时，在距地1.5~2.1 m高度形成风沙两相流速度交点，交点上下表现为“风快沙慢”及“风慢沙快”现象。（3）尘暴过程中近地表沙尘浓度沿均值线呈“脉动”规律，表现为地表粉尘沉降与再释放循环过程，同时砾石盖度大小会直接影响沙尘沉积分布，当盖度大于40%时能够有效抑制沙尘释放。

关键词: 戈壁, 砾石盖度, 数值模拟, 风沙两相流运动, 速度交点

Abstract:

The two-phase flow motion of wind and sand on the gravelly gobi surface during dust storms has been a subject of much interest in wind and sand physics. However， due to technical limitations， field observations and wind tunnel experiments are difficult to capture large-scale particle motions. To this end， this paper analyzes the wind-sand two-phase flow motion during the incoming dust storm under different gravel cover by constructing a three-dimensional field numerical simulation of fluid-particle collisional mutual feedthrough model. It is found that the modified solution based on the 3D field fluid-particle collisional mutual feedthrough model can simulate the wind-sand two-phase flow motion on the gobi surface more accurately. The simulation results further show that：（1） The wind-phase velocity decreases with the increase of gravel cover for different incoming dust storm processes， and forms a Bagnold focus near the surface of the gobi where the gravel cover is greater than 40%. Compared with the wind phase， the velocity decrease in the sand phase is not obvious. In addition， above 4 cm from the gravel bed surface， the velocities of both wind and sand phases remain basically the same. （2） When the dust storm velocity is greater than 10 m·s^-1， the intersection of the two phases of wind and sand flow velocity is formed in the height range of 1.5-2.1 m from the ground， and the phenomenon of “ Wind is faster than sand ” and “ Sand is faster than wind ” is manifested above and below the intersection. （3） During the dust storm process， the near-surface dust concentration shows a “pulsation ” law along the mean line， which is manifested as the cycle of surface dust deposition and re-release. At the same time， the gravel coverage will directly affect the distribution of dust deposition. When the coverage is greater than 40%， it can effectively suppress dust release.

Key words: gobi, gravel cover, numerical simulation, wind and sand two-phase flow motion, velocity intersection

中图分类号:

S157

廖承贤, 王海兵, 刘茜雅, 李悦. 以计算流体动力学模型（CFD）模拟的戈壁地表风沙两相流运动特征[J]. 中国沙漠, 2023, 43(6): 71-78.

Chengxian Liao, Haibing Wang, Xiya Liu, Yue Li. Simulation of movement characteristics of wind and sand two-phase flow on the gobi surface based on CFD technology[J]. Journal of Desert Research, 2023, 43(6): 71-78.

图/表 7

图1 几何模型

Fig.1 Geometric model

表1 试验设计

Table 1 Experimental design

砾石底部边长/mm	砾石高度 /mm	砾石盖度 /%	来流速度 /(m·s^-1)
50	30	5,10,20,30,40,50	6,8,10,12,14

图2 本文模拟风速与实测风速的对比

Fig.2 Comparison of simulated wind speed and measured wind speed in this paper

图3 垂直方向上风沙两相速度变化

Fig.3 Vertical direction wind-sand two-phase velocity variation diagram

图4 风沙两相速度交点范围

Fig.4 Wind-sand two-phase velocity intersection range

图5 沙相瞬时动态图

Fig.5 Sand phase transient motion diagram

图6 砾石床面沙相蚀积示意图和不同砾石盖度下沙相沉积特征

Fig.6 Schematic diagram of sand phase erosion or accumulation on gravel bed surface andcharacteristics of sand phase accumulation under different gravel cover

参考文献 38

1	何畏.风沙流中流体剪切力脉动的风洞实验研究［D］.兰州：兰州大学，2021.
2	闫光虎.风沙跃移运动中若干问题的数值研究［D］.兰州：兰州大学，2008.
3	潘喜英.Magnus力对风沙流结构与能量的影响和以公切角表征的非均匀沙起动风速［D］.兰州：兰州大学，2009.
4	赵国丹，张军杰，亢力强，等.三维空间中沙粒旋转对其跃移轨迹的影响［J］.中国沙漠，2016，36（4）：891-901.
5	王晓庆，武建军.最大沙粒堆积率对风沙流结构的影响［J］.兰州大学学报（自然科学版），2013，49（5）：616-620.
6	Hupy J P.Influence of vegetation cover and crust type on wind-blown sediment in a semi-arid climate［J］.Journal of Arid Environments，2004，58（2）：167-179.
7	Zhang J， Teng Z， Huang N，et al.Surface renewal as a significant mechanism for dust emission［J］.Atmospheric Chemistry and Physics，2016，16（24）：15517-15528.
8	张正偲，潘凯佳，梁爱民，等.戈壁沙尘释放过程与机理研究进展［J］.地球科学进展，2019，34（9）：891-900.
9	郭瑞.中国戈壁沙尘气溶胶的表征、识别、长途传输及其对下游区域环境的影响［D］.上海：复旦大学，2010.
10	刘旭阳，宁文晓，王振亭.两种戈壁地表风沙流特征的野外观测［J］.干旱区研究，2020，37（4）：1087-1094.
11	柳朝晖，李勇，郑楚光，等.空间发展湍流气粒两相平面混合层的大涡模拟与统计［J］.工程热物理学报，2002（4）：495-498.
12	陆慧林，刘文铁，赵广播.管内稠密气固两相流数值模拟计算：颗粒动力学方法［J］.化工学报，2000（1）：31-38.
13	刘阳，陆慧林，刘文铁，等.气固流化床的离散颗粒运动-碰撞解耦模型与模拟［J］.燃烧科学与技术，2003（6）：551-555.
14	Zhang Z C， Dong Z B， Qian G Q.An investigation into the processes and volume of dust emissions over gravel and sand deserts in northwestern China［J］.Boundary-Layer Meteorology，2017，163：523-535.
15	Wang X， Zhou Z， Dong Z.Control of dust emissions by geomorphic conditions，wind environments and land use in northern China：an examination based on dust storm frequency from 1960 to 2003［J］.Geomorphology，2006，81（3/4）：292-308.
16	Sharon D.On the nature of hamadas in Isreal［J］.Zeitschrift fur Geomorphologie，1962，6：129-147.
17	李志勇，李荫堂，王双，等.近地层输沙率数值模拟研究［J］.干旱区研究，2007，24（6）：6801-6804.
18	冯大军，倪晋仁，李振山.风沙流中不同粒径组沙粒的输沙量垂向分布实验研究［J］.地理学报，2007（11）：1194-1203.
19	孙兴林，张宇清，张举涛，等.青藏铁路路基对风沙运动规律影响的数值模拟［J］.林业科学，2018，54（7）：73-83.
20	张克存，屈建军，俎瑞平，等.戈壁风沙流结构和风速廓线特征研究［J］.水土保持研究，2005（1）：54-55.
21	张克存，屈建军，俎瑞平，等.戈壁，流沙地表风沙流特性研究［J］.干旱区资源与环境，2008，22（10）：55-59.
22	Moreno-Casas P A， Bombardelli F A.Computation of the Basset force：recent advances and environmental flow applications［J］.Environmental Fluid Mechanics，2016，16：193-208.
23	Klinkenberg J， de Lange H C， Brandt L.Linear stability of particle laden flows：the influence of added mass，fluid acceleration and Basset history force［J］.Meccanica，2014，49（4）：133-143.
24	Zou X Y， Cheng H， Zhang C L，et al.Effects of the Magnus and Saffman forces on the saltation trajectories of sand grain［J］.Geomorphology，2007，90（1）：11-22.
25	Xie L， Ling Y Q， Zheng X J.Laboratory measurement of saltating sand particles' angular velocities and simulation of its effect on saltation trajectory［J］.Journal of Geophysical Research：Atmospheres，2007，112（D12）：1335-1342.
26	Huang N， Wang C， Pan X Y.Simulation of aeolian sand saltation with rotational motion［J］.Journal of Geophysical Research：Atmospheres，2010，115（D2）：2013593.
27	王康龙，武建军，罗生虎.风沙运动的欧拉双流体模型参数研究［J］.中国沙漠，2014，34（6）：1461-1468.
28	王晓，张伟民.数值模拟气流特征和砾石几何参数对床面空气动力学粗糙度的影响［J］.中国沙漠，2014，34（4）：943-948.
29	Zhang K C， Zhang W M， Tan L H，et al.Effects of gravel mulch on aeolian transport：a field wind tunnel simulation［J］.Journal of Arid Land，2015，7（3）：296-303.
30	张伟民，谭立海，张克存.不同砾石覆盖度床面蚀积过程的野外风洞实验研究［J］.地理科学，2012，32（11）：1370-1376.
31	尚河英，尹忠东，张鹏，等.戈壁地表野外风速脉动特征［J］.南京林业大学学报（自然科学版），2017，41（1）：123-128.
32	Bagnold R A.The Physics of Blown Sand and Desert Dunes［M］.London，UK：Methuen，1941.
33	Dong Z， Wang H， Liu X，et al.Velocity profile of a sand cloud blowing over a gravel surface［J］.Geomorphology，2002，45（3）：277-289.
34	岳高伟，蔺海晓，贾慧娜.风沙运动过程的颗粒流体动力学模拟［J］.自然灾害学报，2013，22（2）：130-135.
35	刘世海，冯玲正，许兆义.青藏铁路格拉段高立式沙障防风固沙效果研究［J］.铁道学报，2010，32（1）：133-136.
36	杨印海，蒋富强，王锡来，等.青藏铁路错那湖段沙害防治措施研究［J］.中国沙漠，2010，30（6）：1256-1262.
37	杜云乡.基于Fluent的风沙流数值模拟及防风挡沙墙参数优化［D］.北京：北京交通大学，2016.
38	董治宝，屈建军，刘小平，等.戈壁表面阻力系数的实验研究［J］.中国科学（D辑：地球科学），2001（11）：953-958.

[1]	冯怡琳, 王永珍, 林永一, 刘继亮, 方静, 刘任涛, 赵文智. 河西走廊中部荒漠收获蚁（ *Messor desertus* ）蚁穴对秋季地表节肢动物群落结构的影响[J]. 中国沙漠, 2023, 43(6): 121-130.
[2]	李亚云, 成巍, 王宁, 李欣, 高睿. 塔克拉玛干沙漠和戈壁沙漠春季沙尘暴特征及其气象影响因素对比[J]. 中国沙漠, 2023, 43(4): 1-9.
[3]	陈书峄, 张伟民, 马绍休, 谭立海, 梁林昊. 戈壁近地表粉尘释放动力机制的野外风洞试验[J]. 中国沙漠, 2023, 43(2): 216-225.
[4]	林永一, 王永珍, 赵文智, 李锋瑞, 巴义彬, 刘继亮. 红外相机记录的河西走廊荒漠生态系统中兽类和鸟类的群落动态[J]. 中国沙漠, 2022, 42(3): 159-169.
[5]	刘继亮, 赵文智, 李锋瑞, 巴义彬. 河西走廊中部砾质戈壁蛛形纲节肢动物群落特征[J]. 中国沙漠, 2021, 41(3): 155-164.
[6]	赵明珠, 俎瑞平, 王军战, 谭立海. 哈罗铁路沿线沉积物粒度特征[J]. 中国沙漠, 2021, 41(1): 19-27.
[7]	李夙超, 邱曼, 李孝泽, 刘景德, 王立民, 胡杨, 李志刚, 牛改红. 准噶尔盆地西缘白杨河上游莫合台冲积洪积扇戈壁的特征、时代及过程[J]. 中国沙漠, 2020, 40(4): 1-9.
[8]	董雪, 李永华, 张正国, 李思瑶, 包岩峰, 郝玉光, 姚斌. 甘肃酒泉荒漠戈壁灌木群落优势物种生态位特征[J]. 中国沙漠, 2020, 40(4): 138-145.
[9]	张振清, 张昺林, 张威, 刘光琇, 陈拓, 刘阳, 陈警伟, 田茂. 河西走廊黑戈壁生态系统中可培养细菌分布特征及抗辐射活性[J]. 中国沙漠, 2020, 40(4): 52-62.
[10]	潘凯佳, 张正偲, 梁爱民, 董治宝, 李兴财. 基于倾斜摄影技术的戈壁灌丛沙丘形态反演及其对粉尘释放研究的意义[J]. 中国沙漠, 2020, 40(2): 24-32.
[11]	靳婷, 彭晓庆, 王萍. 脉动风场下跃移沙粒对风的响应时间[J]. 中国沙漠, 2020, 40(2): 100-108.
[12]	熊鑫, 王海兵, 肖建华, 左合君. 戈壁沙砾质地表沉积物全粒径分布模式及其对分选作用的指示意义[J]. 中国沙漠, 2019, 39(2): 202-208.
[13]	孟小楠, 严平, 王振亭, 董苗, 王勇. 车辆碾压作用下戈壁地表起尘浓度[J]. 中国沙漠, 2019, 39(1): 80-87.
[14]	辛林桂, 程建军, 王连, 智凌岩. 基于Design Exploration方法对铁路下导风工程关键设计参数的优化[J]. 中国沙漠, 2018, 38(6): 1193-1199.
[15]	金莉莉, 李振杰, 何清, 刘永强, 买买提艾力·买买提依明, 辛渝. CoLM模式对塔克拉玛干沙漠北缘陆面过程模拟评估及修正[J]. 中国沙漠, 2018, 38(6): 1287-1302.