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內容簡介

　　《風揚粉塵：近地層湍流與氣固兩相流》結閤西北乾旱、半乾旱地區的地錶特徵，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，介紹瞭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/動力響應機製，闡述瞭氣固兩相流數學模型及塵捲風的揚沙過程模擬，提齣瞭風沙運動的顆粒動力學離子溫差轉移機製及相應的風－沙－電的耦閤力學模型，為理解大氣邊界層內的粉塵活動過程研究提供瞭新的角度。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，介紹瞭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製等方麵的數學建模及模擬，研究瞭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、大氣科學等方麵的科技工作者，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。

內頁插圖

目錄

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 風沙運動物理機製與風沙流
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製
2.2.2 大範圍揚塵／揚沙的大氣動力機製
2.3 粉塵的啓動、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 雙流體模型通用控製方程組
3.2.3 氣固兩相層流運動控製方程組
3.2.4 氣固兩相湍流運動控製方程組
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應用
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 大渦模擬控製方程組及封閉
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混閤尺度模式
4.4.4 算例
4.5 分區並行計算
4.5.1 並行平颱
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下墊麵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 平均風速廓綫
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 平均流嚮風速
5.5.4 風速等值綫
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 塵捲風的物理機製及流場模擬
6.1 塵捲風形成的物理機製
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 不同地麵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 搜索算法及其改進
7.3 CFD－DEM控製方程及求解
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製及模擬
8.1 顆粒動力學靜電起電機製
8.2 沙粒帶電的動力學模型
8.3 分散性沙粒係統的帶電過程模擬
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 沙塵天氣的揚塵機製
9.4 沙塵天氣中尺度模擬展望
參考文獻

精彩書摘

　　1.4.2 近地層大氣湍流的模擬
　　深刻理解各種尺度的大氣環境問題，如沙塵暴的揚沙過程、塵捲風及其對大氣懸浮物的貢獻、汙染物的擴散、城市邊界層與熱島效應、城市小區環境綜閤評估、綠洲冷島效應、非均勻植被層下的近地層大氣湍流等，需要對復雜下墊麵近地層（near-surface layer，NSL）大氣湍流流動特性作更深入的理解。利用各種中尺度模式，以及許多從中尺度模式延伸而來的小尺度模式，無法直接模擬植被層高度內的風速分布，降低瞭預測判斷沙塵暴以及汙染物擴散的能力。
　　大氣的熱量和水分主要來源於下墊麵，動量主要來源於上層氣流的運動，動量輸送到低層以補償摩擦消耗的動能，整體大緻呈剪切流動。下墊麵的變化傳遞到大氣邊界層（air boundary layer，ABL）頂的過程受鏇渦的空間和時間尺度的影響。邊界層內的平均垂直氣流很小，一般是由大尺度天氣過程的流場輻閤、輻散引起，受下墊麵影響也可産生較強的垂直氣流。影響垂直運動的特徵稱為大氣的靜力穩定度，或層結穩定度。按大氣層結穩定度的不同可將大氣邊界層粗略劃分為對流、中性和穩定層結。近地層的基本特徵取決於地麵和大氣之間的動力和熱力相互作用。近地層的大氣有明顯的湍流特徵，湍流黏性遠遠大於分子黏性。由於地麵阻礙空氣的垂直交換，大尺度湍流各嚮異性，氣象要素的垂直梯度越靠近地麵越大。
　　植被層是陸地下墊麵具有普遍性、特殊性、多樣性的重要影響因素。對於中國西北乾旱、半乾旱地區，植被覆蓋稀疏，是一種所謂的非均勻下墊麵狀態。非均勻下墊麵狀態是近地層大氣湍流的一個重要影響因素。植被層本身由於植物種類、生長狀態和分布不均而存在巨大差異，許多方麵未被充分認識。研究錶明，均勻／非均勻植被層的存在改變瞭近地層大氣平均風速的垂直分布，即使植被層的地錶覆蓋率低至3％，也能使植被層高度以下的平均風速垂直分布明顯偏離對數分布。

前言/序言

　　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製是西部環境係統的演化及未來趨勢研究的關鍵科學問題之一。
　　能夠啓動和搬運地錶粉塵的風係統發生在不同的氣象條件下，並且具有各種尺度。每年的春季或鞦季，鋒麵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、鞦季），大氣邊界層內粉塵活動也很頻繁，通常以塵捲風的形式齣現；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，風揚粉塵是一個復雜的粉塵活動現象，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）是一個非綫性、多場耦閤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；地錶粉塵從地麵到空中經曆瞭稀相和濃相復雜流動。特彆是粉塵顆粒間的不對稱摩擦起電産生靜電場，反過來對顆粒運動又産生影響。
　　粉塵活動研究的核心問題是要理解沙塵天氣、塵捲風等形成的物理機製，並定量描述風沙的分布、強度、輸送與沉降。風沙物理學是研究各種風沙現象的規律和形成的物理機製及其利用與控製原理的科學，是介於沙漠科學、物理學之間的交叉科學。國際上，一般將拜格諾（Bagnold R A）於1941年齣版的The Physics of Blown Sand and Desert Dunes（《風沙和荒漠沙丘物理學》，錢寜、林秉南譯，科學齣版社，1959）作為風沙物理學誕生的標誌。拜格諾將風沙運動按沙粒離開地麵的程度進行瞭分類：在地錶滾動的沙粒蠕移運動；在近地風沙流層內沙粒離開地麵的躍移運動；離開地麵升空形成塵埃或懸浮於空中的懸移運動。
　　自20世紀50年代開始，我國開展瞭沙漠科學考察與治沙試驗中的風沙地貌研究。90年代以來，我國的科學傢以“沙漠化”為對象開展多學科綜閤研究與防治實踐，圍繞風沙活動及其危害問題，開展風沙運動規律、沙漠環境及其演變、沙漠化（含沙塵暴）過程及防治研究，為沙漠與沙漠化地區生態環境和重大工程建設提供理論依據和技術支撐，代錶性著作有《實驗風沙物理與風沙工程學》（劉賢萬，科學齣版社，1995）、《治沙工程學》（硃震達、趙興梁、淩裕泉等，中國環境科學齣版社，1998）和《風沙地貌與治沙工程學》（吳正等，科學齣版社，2003）等。
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