《風沙流/沙塵暴流場特性及其湍流結構的測量與分析》是依託蘭州大學，由鄭曉靜擔任項目負責人的重點項目。
基本介紹
- 中文名：風沙流/沙塵暴流場特性及其湍流結構的測量與分析
- 依託單位：蘭州大學
- 項目負責人：鄭曉靜
- 項目類別：重點項目
項目摘要,結題摘要,
項目摘要
風沙流/沙塵暴是發生在大氣邊界層的一種雷諾數高達10^8的氣固兩相流，也是影響範圍較廣的一種環境災害，深刻認識其流場特性和湍流結構有助於對這類災害的預報和防治。本項目通過研發一種金字塔形觀測陣列以實現對風沙流/沙塵暴流場的風速、沙塵濃度、溫濕度的實時同步觀測；通過對可控條件下的風洞實驗和野外不可控因素影響的排查，獲得並積累零壓力梯度近中性條件下高雷諾數壁湍流在風沙流/沙塵暴情形的有效數據。由此分析風沙流/沙塵暴流場的平均流形式和標度特性；提煉其風速脈動和風速譜的變化特徵和表征模型；揭示其不同湍流結構存在的區域、相互作用規律及其變化特徵以及沙塵輸運的流動結構；探討風沙流/沙塵暴流場湍流結構與沙塵起動和輸運的相互影響，以及影響地表風沙兩相流運動溫度和濕度的變化規律。在此基礎上，建立風沙流/沙塵暴流場的一個風速表征模型，實現對自然風沙流輸沙率的預測，並為沙塵暴預報模式的改進提供一種依據。
結題摘要
風沙流/沙塵暴是發生在大氣邊界層的一種高雷諾數氣固兩相流，也是影響範圍較廣的一種環境災害，深刻認識其流場特性和湍流結構有助於對這類災害的預報和防治。本項目在甘肅民勤青土湖乾涸平坦的湖床上建立了可用於高雷諾數大氣表面層淨風及風沙流/沙塵暴觀測的野外觀測列陣——“青土湖觀測列陣”（QLOA），實現了對風沙流/沙塵暴流場的風速、沙塵濃度、溫濕度的實時同步觀測，獲得了超過7400小時的多物理量同步數據，數據總量超過4.7TB，共觀測到沙塵天氣事件58次。通過對可控條件下的風洞實驗和野外不可控因素影響的排查，獲得並積累了零壓力梯度近中性條件下高雷諾數壁湍流在風沙流/沙塵暴情形的高質量數據172小時，淨風數據422小時。基於這些高質量數據，利用統計分析、譜分析等手段研究了風沙流/沙塵暴流場的湍流特性，發現：含沙流動中卡門常數增大約為0.44，同時湍動能顯著增加；大氣表面層中超大尺度結構存在自上向下的演化機制；沙塵暴中超大尺度結構的三維尺度與淨風流動情形差異不明顯，但結構傾角明顯增大；超大尺度結構主導了沙塵暴中沙塵的流向輸運；沙塵暴中流向電場強度高於垂向電場。利用風洞風沙流實驗，分析了沙粒運動過程中的關鍵參數，包括衝擊、起跳速度和角度等。結合實驗結果和理論分析，建立了近地表風速的表征模型；提出了基於電場強度觀測的沙塵暴預警策略，通過模擬驗證證實風速預測模型及沙塵暴預警策略有很好的預測精度。這些結果有助於沙塵暴預報模式的改進及沙塵暴的準確預報。
