微地表形态下风雪流运动的数值模拟

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本文使用大涡模拟方法建立控制方程,运用SIMPLE(压力耦合方程组的半隐式)算法计算流场,使用离散粒子追踪法计算颗粒轨迹,建立了风-雪两相流的数值模型:1)平坦地表下风-雪两相流的发展模型;2)对带有微地形的地表输入稳定的风雪流模型。以此模拟了不同摩阻风速与地表条件下雪粒的跃移运动。通过统计流场、空中雪粒数、单宽输雪率随时间的变化、输雪量沿高度方向的分布情况以及颗粒的溅起量与沉降量,分析了平坦床面风雪流的发展过程、微地形对于稳定风雪流的影响以及稳态时流场的特点。得出以下结论:1)雪粒发生跃移运动初,空中雪粒数、单宽输雪率随着时间的变化而迅速增加,并且随着摩阻风速的增加,其达到相对稳定的时间将减小;2)当对带微地形的区域输入稳态的风雪流时,微地形床面区域的空中雪粒数以及单宽输雪率的平均值都大于平坦床面,并且两者的波动振幅较平坦床面更大:3)输雪通量随着高度的增加逐渐变小,且变化速率逐渐减小,具体表现为平坦床面曲线光滑,微地形床面曲线曲折;4)雪颗粒在平坦床面区域内的侵蚀区域与堆积区域交替出现并且数值较小、范围接近,而在微地形区域内的迎风坡会产生一个侵蚀区域,在背风坡后会产生一个堆积区域;5)微地形对于风雪流运动具有放大作用,通过微地形区域后,风-雪两相流的空中雪粒数与单宽输雪率都将变大。
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