內容簡介
《風揚粉塵：近地層湍流與氣固兩相流》結合西北乾旱、半乾旱地區的地表特徵，將粉塵活動過程作為近地層湍流及氣固兩相流行為來研究，介紹了植被層湍流的大渦模擬方法及數值模擬，以揭示大氣湍流對植被層的熱/動力回響機制，闡述了氣固兩相流數學模型及塵捲風的揚沙過程模擬，提出了風沙運動的顆粒動力學離子溫差轉移機制及相應的風－沙－電的耦合力學模型，為理解大氣邊界層內的粉塵活動過程研究提供了新的角度。相比於氣象學研究方法，《風揚粉塵：近地層湍流與氣固兩相流》在微小尺度上，介紹了近地層植被層空氣流場、沙粒與流場的相互作用以及沙粒靜電起電機制等方面的數學建模及模擬，研究了風揚粉塵氣固兩相流的數學模型及多相流體力學理論。
《風揚粉塵：近地層湍流與氣固兩相流》可供從事乾旱、半乾旱地區的風沙研究，城市大氣環境研究的風沙物理學、地理科學、大氣科學等方面的科技工作者，以及高等院校有關專業師生參考，也可供從事計算流體力學和多相流研究的科技工作者參考。
目錄
風揚粉塵：近地層湍流與氣固兩相流序
前言
第1章 緒論
1.1 風揚粉塵的形式及分類
1.1.1 沙塵天氣
1.1.2 塵捲風
1.2 粉塵活動的沙粒荷電及靜電場
1.3 風揚粉塵研究概述
1.3.1 沙塵天氣中尺度模擬
1.3.2 風沙物理學
1.3.3 塵捲風的觀測與數值模擬
1.4 風沙運動研究亟待解決的相關問題
1.4.1 粉塵活動過程的氣固兩相流
1.4.2 近地層大氣湍流的模擬
1.4.3 沙塵天氣數值預報的沙塵通量參數化
1.4.4 沙塵天氣及粉塵活動過程研究的一些科學問題
1.5 本書的結構與指導思想
參考文獻
第2章 風沙運動物理機制與風沙流
2.1 風沙地貌及植被層粗糙度
2.2 風沙運動的天氣及熱力條件
2.2.1 黑風暴和塵捲風的一種動力觸發機制
2.2.2 大范圍揚塵/揚沙的大氣動力機制
2.3 粉塵的啟動、搬運與沉積
2.3.1 沙粒的懸移運動
2.3.2 沙粒的起動
2.3.3 沙粒的躍移及風沙流
2.3.4 風沙流的靜電場
2.3.5 粉塵沉積
2.4 結語
參考文獻
第3章 風沙運動氣固兩相流基礎
3.1 沙粒及沙粒群的幾何性質
3.1.1 單顆粒的基本幾何特徵
3.1.2 顆粒群的粒度分布與平均當量直徑
3.2 氣固兩相流的數學模型
3.2.1 兩相流基本數理模型
3.2.2雙流體模型通用控制方程組
3.2.3 氣固兩相層流運動控制方程組
3.2.4 氣固兩相湍流運動控制方程組
3.3 風沙運動的氣固兩相分層流動模型
3.4 結語
參考文獻
第4章 大渦模擬數學模型及方程組
4.1 大渦模擬方法在大氣邊界層的套用
4.2 Navier-Stokes(N－S)方程組
4.3 大渦模擬的數學模型
4.3.1 大渦模擬的湍流理論基礎
4.3.2 大渦模擬的基本方法
4.3.3 大渦模擬控制方程組及封閉
4.3.4 常見亞格子模式
4.3.5 大渦模擬的極限性質
4.3.6 常見亞格子模式的比較
4.4 亞格子脈動有效特徵尺度及其改進亞格子模式
4.4.1 亞格子脈動特徵尺度
4.4.2 亞格子脈動有效特徵尺度
4.4.3 改進Sagaut混合尺度模式
4.4.4 算例
4.5 分區並行計算
4.5.1 並行平台
4.5.2 分區並行算法的實現和內邊界處理
4.6 結語
參考文獻
第5章 近地層大氣湍流的大渦模擬
5.1 近地層大氣湍流研究概述
5.2 近地層中性層結的數值模擬
5.2.1 中性近地層湍流的經典理論
5.2.2 中性近地層湍流的大渦模擬
5.3 植被層參數化模式
5.3.1 Belcher下墊面粗糙單元阻力源項模式
5.3.2 Shaw植被層源項模式
5.3.3 Massman植被層模式
5.3.4 Ayotte植被層模式
5.3.5 幾種植被層模式的比較
5.4 均勻植被層湍流的模擬
5.4.1 植被湍流模擬數學模型
5.4.2 平均風速廓線
5.4.3 亞格子脈動的特徵尺度修正係數
5.4.4 植被層的湍流統計量
5.4.5 均勻植被層的零位移厚度
5.5 條帶狀均勻植被層湍流的模擬
5.5.1 條帶狀均勻植被層的結構及參數
5.5.2 計算區域、初始條件和邊界條件
5.5.3 平均流向風速
5.5.4 風速等值線
5.5.5 條帶狀均勻植被層的湍流統計量
5.5.6 零位移厚度
5.6 結語
參考文獻
第6章 塵捲風的物理機制及流場模擬
6.1 塵捲風形成的物理機制
6.2 塵捲風演化的數學模型及模擬
6.2.1 引言
6.2.2 CBL尺度的大渦模擬
6.2.3 塵捲風尺度的大渦模擬
6.3 塵捲風尺度的準靜態模型及模擬
6.3.1 塵捲風模擬的準靜態模型
6.3.2 不同地面處理方法的塵捲風流場
6.3.3 不同環境參數下的塵捲風流場
6.4 結語
參考文獻
第7章 塵捲風揚塵顆粒軌道模型及模擬
7.1 顆粒相稀相的單顆粒軌道模型
7.2 顆粒碰撞與離散單元法(DEM)
7.2.1 顆粒間接觸力模型
7.2.2 DEM運動方程及算法
7.2.3 搜尋算法及其改進
7.3 CFD－DEM控制方程及求解
7.4 粗糙顆粒及離散單元模型的修正
7.5 顆粒傳熱離散單元法(TDEM)
7.6 塵捲風揚塵的模擬
7.7 結語
參考文獻
第8章 風沙運動靜電場起電機制及模擬
8.1 顆粒動力學靜電起電機制
8.2 沙粒帶電的動力學模型
8.3 分散性沙粒系統的帶電過程模擬
8.3.1 數值模擬
8.3.2 相對濕度與靜電場變化
8.4 風沙運動靜電場模擬
8.5 結語
參考文獻
第9章 沙塵天氣的中尺度模擬基礎
9.1 沙塵天氣中尺度模擬概述
9.2 中尺度模擬的起沙模式與參數化
9.3 沙塵天氣中尺度模擬的問題與改進
9.3.1 沙塵天氣中尺度模式
9.3.2 沙塵天氣的揚塵機制
9.4 沙塵天氣中尺度模擬展望
參考文獻
前言
源於西北乾旱、半乾旱地區的粉塵活動（風揚粉塵）是西北地區土壤風蝕的結果，揚塵、揚沙和塵捲風，乃至塵暴、強沙塵暴事件不時發生，對其他地區的環境質量有重要影響。認識粉塵活動的形成過程和機制是西部環境系統的演化及未來趨勢研究的關鍵科學問題之一。
能夠啟動和搬運地表粉塵的風系統發生在不同的氣象條件下，並且具有各種尺度。每年的春季或秋季，鋒面低壓過境可能是大範圍揚沙的主要原因，粉塵經常被冷鋒前或後的大風揚起，而且高空急流在粉塵搬運中起著重要的作用。通常塵暴天氣是一個中尺度天氣過程。在非塵暴事件多發期（如夏季、秋季），大氣邊界層內粉塵活動也很頻繁，通常以塵捲風的形式出現；塵捲風可以在微風，甚至無風條件下生成，是微小尺度天氣過程。因此，風揚粉塵是一個複雜的粉塵活動現象，而且塵捲風、沙塵暴等大氣邊界層內的粉塵活動（又稱風沙運動）是一個非線性、多場耦合的氣固兩相流體力學問題，沙粒作為分散相具有非均勻的直徑分布；地表粉塵從地面到空中經歷了稀相和濃相複雜流動。特別是粉塵顆粒間的不對稱摩擦起電產生靜電場，反過來對顆粒運動又產生影響。
