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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