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工学院力学与工程科学系陶建军课题组在沙尘暴研究上取得新进展

2017-07-03  733

 

《Physics of Fluids》最近以Letter形式刊发了工学院力学与工程科学系、湍流与复杂系统国家重点实验室陶建军课题组与兰州大学西部灾害与环境教育部重点实验室郑晓静院士的合作研究论文“Very large scale motions and PM10 concentration in a high-Re Boundary layer” 29: 061701 (2017), 报道了他们在沙尘暴研究上取得的最新成果。

 
图1  沙尘暴(左图)和位于甘肃省民勤地区的青土湖观测阵列(QLOA)(右图)。

沙尘暴不但对大气能见度有很大影响,其携带的可吸入颗粒物(粒径在10微米以下的颗粒物,又称PM10)也严重危害人们的健康。风沙湍流边界层研究的挑战性首先在于其极高的雷诺数,以至于目前仍无法通过实验和数值模拟来完全复现,再就是其跨尺度特性和多相流特性,人们需研究高达几百米的大气表面层与微米量级的颗粒之间的相互作用。

联合小组通过分析在QLOA同步测量所得的沙尘暴过程中的风速和PM10粉尘浓度数据,得到如下结果:

1.    大气边界层中的低速超大尺度结构(VLSM)间歇出现的特征频率对应于流向功率谱的峰值频率,且低速VLSM对PM10粉尘浓度的流向分布有重要影响。

2.    超大尺度结构常常包含一个或几个准周期过程,每一个准周期由一个高的流向速度半周期和一个高的垂向速度半周期组成(如图2d)。由于近地表处的强剪切决定着起沙过程,流向脉动速度u同PM10浓度脉动c存在着很强的正相关性,见图2(a)。

3.    在边界层的对数区内,低速超大尺度结构因较弱的地表剪切导致较小的垂向PM10输运。高速VLSM对垂向PM10输运的强化基于两个方面:如图2(d)所示,在高流向速度半周期因较强的地表剪切会导致颗粒浓度较高,而高的垂向速度半周期则直接强化了颗粒的垂向被动输运。


图2. 带通滤波(0.001Hz~0.03Hz)后的流向速度脉动u与PM10浓度脉动c的相关系数(a)、u与垂向脉动速度w的相关系数(b)和c与w的相关系数(c)。(d)为高速和低速超大尺度结构时间演化概念图,棕色阴影代表PM10浓度。

测量数据以及以往的湍流边界层实验和数值模拟结果均显示流向脉动速度u和垂向脉动速度w存在负相关性(图2b),这导致了一个初看令人意外的有趣的c-w相关性转换现象:如图2(c)所示,在边界层近地表的对数区内由于c-u的正相关性c-w表现为负相关,而在对数区外基于颗粒的被动输运本质c-w转变为正相关。

论文第一作者为北京大学力学与工程科学系博士后王国华博士。该项目得到国家自然科学基金重大项目和国家杰出青年基金的资助。

论文连接:http://aip.scitation.org/doi/full/10.1063/1.4990087