计算流体力学对沙尘暴的计算分析

 

 

我国特别是北方是沙尘天气频发的地区，据粗略统计，我国每年因风沙危害造成的直接经济损失高达540亿元人民币。近年来，人们越来越意识到风沙研究的重要性。对于超高，大跨和轻质建筑物，结构对风作用的敏感性大大增强，致使风荷载成为此类建筑控制设计的主要荷载之一。通过运用CFD对风沙共同作用下建筑物周围风场进行数值模拟，可以对建筑形态对风沙分布形态的影响进行分析，从而优化建筑设计，改善建筑所在区域的空气质量。

计算流体动力学的基本思想是：把原来在时间域和空间域上连续的物理量的场用有限个离散点上变量值的集合来代替，通过一定的原则和方式建立关于这些离散点上场变量的代数方程组，求解获得场变量的近似值。风沙两相流的数值模拟，根据把第二相(颗粒相)看成离散个体或连续流体分为欧拉一拉格朗日方法和欧拉一欧拉方法。CFD软件在模拟多相流方面就是基于这两种算法。

沙粒运动形式

沙粒运动是风沙两相流和风沙地貌研宄中的重要组成部分。沙粒运动主要有蠕移，跃移和悬移三种形式。

悬移 沙粒悬浮在空气中流动而不与地面接触。悬移物质的颗粒细小，一般直径小于0.2mm，搬运距离较远、位置较高，占总搬运量的5%?10%。

跃移 沙粒以跳跃方式贴地表随风运动。跃移物质颗粒较粗，一般直径 为0.2-0.5mm之间，占总搬运量的70%~80%，是风沙流最主要的搬运方式。

蠕移 沙粒沿地表滑动或滚动。蠕移物质颗粒最粗，一般直径大于0.5mm，占总搬运量的15%?20%。

风沙流结构特征

沙粒浓度随高度的分布 野外观测的数据显示，气流搬运的沙量绝大部分（90%以上)是在沙面以上30cm的高度内通过的，尤其是集中在0?10cm的高度(约占80%)，也就是说风沙运动是一种近地面的沙粒搬运现象。

风沙流风速廓线 风沙流边界层自地表面上可分为内外两层，内边界层为跃移边界层，外边界层为悬移层。跃移边界层和悬移层区别的关键是：在跃移边界层内跃移颗粒与气流之间发生复杂的动量传输，而在外边界层中，这种作用及其微弱。

输沙率 气流在单位时间通过单位宽度或面积所搬运的沙量叫做风沙流的固体流量，也称为输沙率。影响输沙率的因素很复杂，它不仅取决于风力的大小、沙粒粒径、形状和沙粒比重，而且也受沙粒的湿润程度、地表状况及空 气稳定度的影响，所以要精确地表示风速与输沙量的关系是较困难的。到目前为止在实际工作中对输沙率的确定，一般仍多采用集沙仪在野外直接观测，然后运用相关分析方法，求得特定条件下的输沙率与风速的关系。

沙尘暴天气大气气溶胶特征

我国华北地区春季风沙天气气溶胶的来源主要为沙漠，沙化土地的尘粒，土壤微粒， 风蚀沙尘及建筑工地的水泥石灰尘等自然源，其物理化学特征与无风沙时的气溶胶有明显差异。主要表现为自然排放的特征，人为污染影响相对减弱。造成北京风沙天气机率最大的是扬沙，占707%左右，其次是浮沉，25%左右，而沙尘暴仅占5%。

CFD计算分析

湍流模型 湍流模型采用剪切应力输运k-ω模型

多相流模型 多相流模型选用Mixture模型

风沙浓度显示

 

[路边的小草]

论文发错地方了。