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第1章 绪论1

1.1 风扬粉尘的形式及分类1

1.1.1 沙尘天气1

1.1.2 尘卷风2

1.2 粉尘活动的沙粒荷电及静电场3

1.3 风扬粉尘研究概述4

1.3.1 沙尘天气中尺度模拟6

1.3.2 风沙物理学7

1.3.3 尘卷风的观测与数值模拟8

1.4 风沙运动研究亟待解决的相关问题10

1.4.1 粉尘活动过程的气固两相流10

1.4.2 近地层大气湍流的模拟12

1.4.3 沙尘天气数值预报的沙尘通量参数化13

1.4.4 沙尘天气及粉尘活动过程研究的一些科学问题14

1.5 本书的结构与指导思想14

参考文献15

第2章 风沙运动物理机制与风沙流19

2.1 风沙地貌及植被层粗糙度19

2.2 风沙运动的天气及热力条件26

2.2.1 黑风暴和尘卷风的一种动力触发机制28

2.2.2 大范围扬尘／扬沙的大气动力机制32

2.3 粉尘的启动、搬运与沉积33

2.3.1 沙粒的悬移运动35

2.3.2 沙粒的起动41

2.3.3 沙粒的跃移及风沙流46

2.3.4 风沙流的静电场63

2.3.5 粉尘沉积67

2.4 结语69

参考文献69

第3章 风沙运动气固两相流基础74

3.1 沙粒及沙粒群的几何性质74

3.1.1 单颗粒的基本几何特征74

3.1.2 颗粒群的粒度分布与平均当量直径76

3.2 气固两相流的数学模型78

3.2.1 两相流基本数理模型78

3.2.2 双流体模型通用控制方程组80

3.2.3 气固两相层流运动控制方程组81

3.2.4 气固两相湍流运动控制方程组85

3.3 风沙运动的气固两相分层流动模型95

3.4 结语101

参考文献102

第4章 大涡模拟数学模型及方程组105

4.1 大涡模拟方法在大气边界层的应用105

4.2 Navier-Stokes（N-S）方程组106

4.3 大涡模拟的数学模型107

4.3.1 大涡模拟的湍流理论基础107

4.3.2 大涡模拟的基本方法109

4.3.3 大涡模拟控制方程组及封闭112

4.3.4 常见亚格子模式114

4.3.5 大涡模拟的极限性质118

4.3.6 常见亚格子模式的比较120

4.4 亚格子脉动有效特征尺度及其改进亚格子模式123

4.4.1 亚格子脉动特征尺度123

4.4.2 亚格子脉动有效特征尺度124

4.4.3 改进Sagaut混合尺度模式126

4.4.4 算例128

4.5 分区并行计算137

4.5.1 并行平台137

4.5.2 分区并行算法的实现和内边界处理139

4.6 结语145

参考文献145

第5章 近地层大气湍流的大涡模拟150

5.1 近地层大气湍流研究概述150

5.2 近地层中性层结的数值模拟153

5.2.1 中性近地层湍流的经典理论153

5.2.2 中性近地层湍流的大涡模拟155

5.3 植被层参数化模式166

5.3.1 Belcher下垫面粗糙单元阻力源项模式167

5.3.2 Shaw植被层源项模式169

5.3.3 Massman植被层模式173

5.3.4 Ayotte植被层模式174

5.3.5 几种植被层模式的比较174

5.4 均匀植被层湍流的模拟175

5.4.1 植被湍流模拟数学模型175

5.4.2 平均风速廓线178

5.4.3 亚格子脉动的特征尺度修正系数181

5.4.4 植被层的湍流统计量183

5.4.5 均匀植被层的零位移厚度193

5.5 条带状均匀植被层湍流的模拟195

5.5.1 条带状均匀植被层的结构及参数195

5.5.2 计算区域、初始条件和边界条件196

5.5.3 平均流向风速197

5.5.4 风速等值线199

5.5.5 条带状均匀植被层的湍流统计量202

5.5.6 零位移厚度207

5.6 结语208

参考文献208

第6章 尘卷风的物理机制及流场模拟213

6.1 尘卷风形成的物理机制213

6.2 尘卷风演化的数学模型及模拟217

6.2.1 引言217

6.2.2 CBL尺度的大涡模拟221

6.2.3 尘卷风尺度的大涡模拟225

6.3 尘卷风尺度的准静态模型及模拟236

6.3.1 尘卷风模拟的准静态模型236

6.3.2 不同地面处理方法的尘卷风流场239

6.3.3 不同环境参数下的尘卷风流场243

6.4 结语270

参考文献270

第7章 尘卷风扬尘颗粒轨道模型及模拟273

7.1 颗粒相稀相的单颗粒轨道模型273

7.2 颗粒碰撞与离散单元法（DEM）274

7.2.1 颗粒间接触力模型274

7.2.2 DEM运动方程及算法279

7.2.3 搜索算法及其改进280

7.3 CFD-DEM控制方程及求解286

7.4 粗糙颗粒及离散单元模型的修正289

7.5 颗粒传热离散单元法（TDEM）294

7.6 尘卷风扬尘的模拟297

7.7 结语304

参考文献304

第8章 风沙运动静电场起电机制及模拟307

8.1 颗粒动力学静电起电机制307

8.2 沙粒带电的动力学模型308

8.3 分散性沙粒系统的带电过程模拟310

8.3.1 数值模拟310

8.3.2 相对湿度与静电场变化316

8.4 风沙运动静电场模拟317

8.5 结语318

参考文献319

第9章 沙尘天气的中尺度模拟基础321

9.1 沙尘天气中尺度模拟概述321

9.2 中尺度模拟的起沙模式与参数化323

9.3 沙尘天气中尺度模拟的问题与改进325

9.3.1 沙尘天气中尺度模式325

9.3.2 沙尘天气的扬尘机制326

9.4 沙尘天气中尺度模拟展望328

参考文献329