Об условиях ветрового выноса частиц почвы

  • Елена Александровна Малиновская Институт физики атмосферы им. А.М. Обухова РАН
  • Отто Гурамович Чхетиани Институт физики атмосферы им. А.М. Обухова РАН
Ключевые слова: ветровой вынос частиц, OpenFOAM, приповерхностный слой, аэродинамическое сопротивление, выталкивающая сила

Аннотация

В рамках решения задачи о ветровом выносе частиц почвы средствами открытого пакета OpenFOAM исследовано обтекание воздушным потоком при скорости 2-3,1 м/с песчаных сферических частиц диаметром 200 мкм с регулярным расположением на плоскости на расстояниях друг от друга, близких или меньших их диаметра с зазорами 50-250, 300 и 700 мкм. Применена многоуровневая сетка с адаптацией под форму элементов микрорельефа и сглаживающая область контакта сферических частиц с нижней плоскостью цилиндрическими формами малого радиуса. В расчетах для ветрового выноса рассматривается k-тип неровностей с большими расстояниями (превышающими 300 мкм). Близость значений поверхностного сопротивления для зазоров между частицами 50 и 300-700 мкм говорит о важности учета движения потока в порах среды (внутри плотно уложенного слоя). На основе данных о порозности песка оценены средние расстояния между частицами, показано, что они соответствуют d-типу неровностей поверхности, случаю, когда в слое существенны процессы между частицами. При расстояниях 100-250 мкм для области между частицами характерно наличие зон рециркуляции, что определяет на порядок большие значения поверхностного сопротивления. Динамическая скорость максимальна при 200 мкм и минимальна при 100 мкм и с изменением расстояния между частицами становится близкой к критической, при которой возможен вылет частицы такого размера с поверхности (по данным экспериментов). Значения высоты вязкого приповерхностного слоя, которая связана с параметром шероховатости, для разных расстояний между частицами хорошо согласуются с эмпирическими данными. Выталкивающая сила, действующая на частицы поверхности, рассчитанная исходя из оценок разности давления на противоположные стороны частицы, максимальна для расстояний между их поверхностями 200 мкм, минимальна при 50 и 100 мкм, и дает обратное - прижимающее к поверхности - воздействие при 150 и 250 мкм.

Литература


  1. Chou Y.J., Fringer O.B. A model for the simulation of coupled flow bed form evolution in turbulent flows // J. Geophys. Res. 2010. Vol. 115. C10041. https://doi.org/10.1029/2010JC006103

  2. Greeley R., Iversen D.J. Wind as geological process of Earth, Mars, Venus and Titan. New York: Cambridge University press, 1985. 333 p.

  3. Гендугов В.М., Глазунов Г.П. Ветровая эрозия почвы и запыление воздуха. М.: Физматлит, 2007. 238 с.

  4. Baas J.H., Best J.L., Peakall J. Depositional processes, bedform development and hybrid bed formation in rapidly decelerated cohesive (mud–sand) sediment flows // Sedimentology. 2011. Vol. 58. P. 1953-1987. https://doi.org/10.1111/j.1365-3091.2011.01247.x

  5. Shao Y. Physics and modeling of wind erosion. Springer, 2008. 452 p.

  6. Lu H. An integrated wind erosion modeling system with emphasis on dust emission and transport / PhDoctor Dissertarion in Mathematical Science, Sydney: School of Mathematics The University of New South Wales, 1999. 185 p.

  7. Pye K., Tsoar H. Aeolian sand and sand dunes. Springer, 2009. 458 p. https://doi.org/10.1007/978-3-540-85910-9

  8. Nikuradse J. Laws of flow in rough pipes. Washington: NACA, 1950. 61 p.

  9. Горчаков Г.И., Карпов А.В., Копейкин В.М., Злобин И.А., Бунтов Д.В., Соколов А.В. Исследование динамики сальтирующих песчинок на опустыненных территориях // ДАН. 2013. Т. 452, № 6. С. 669-676. http://dx.doi.org/10.7868/S0869565213260150

  10. Bagnold R.A. The physics of blown sand and desert dunes. Springer, 1973. 265 p. https://doi.org/10.1007/978-94-009-5682-7

  11. Бютнер Э.К. Динамика приповерхностного слоя воздуха. Л.: Гидрометиздат, 1978. 156 с.

  12. Семенов О.Е. Введение в экспериментальную метеорологию и климатологию песчаных бурь. Алматы, 2011. 580 с.

  13. Anderson R.S., Hallet B. Sediment transport by wind: toward a general model // GSA Bulletin. 1986. Vol. 97(5). P. 523-535. https://doi.org/10.1130/0016-7606(1986)97%3C523:STBWTA%3E2.0.CO;2

  14. Dey S., Ali S.Z. Advances in modeling of bed particle entrainment sheared by turbulent flow // Phys. Fluid. 2018. Vol. 30. 061301. https://doi.org/10.1063/1.5030458

  15. Huang G., Le Ribault C., Vinkovic I., Simoëns S. Large-eddy simulation of erosion and deposition over multiple two-dimensional gaussian hills in a turbulent boundary layer // Boundary-Layer Meteorol. 2019. Vol. 173. P. 193-222. https://doi.org/10.1007/s10546-019-00463-2

  16. Малиновская Е.А. Модель отрыва песчаной частицы ветром // Изв. РАН. Физика атмосферы и океана. 2017. Т. 53, № 5. С. 588-596. https://doi.org/10.7868/S0003351517050063

  17. Чхетиани О.Г., Калашник М.В., Ингель Л.Х. Генерация “теплового ветра” над неоднородно нагретой волнистой поверхностью // Изв. РАН. Физика атмосферы и океана. 2013. Т. 49, № 2. С. 137-143. https://doi.org/10.7868/S0002351513020053

  18. Ильин А.Н., Васильев О.А., Ильина Т.А., Никитин К.П. Влияние ресурсосберегающей технологии на плодородие серой лесной почвы // Аграрный научный журнал. 2015. № 7. С.18-22.

  19. Xie L., Ling Y., Zheng X. Laboratory measurement of saltating sand particles' angular velocities and simulation of its effect on saltation trajectory // J. Geophys. Res. Atmos. 2007. Vol. 112. D12116. https://doi.org/10.1029/2006JD008254

  20. Zheng X. Mechanics of wind-blown sand movements. Springer, 2009. 309 p. https://doi.org/10.1007/978-3-540-88254-1

  21. Lorenz R.D., Zimbelman J.R. Dune worlds: How windblown sand shapes planetary landscapes. Springer, 2014. 308 p. https://doi.org/10.1007/978-3-540-89725-5

  22. Williams J.J., Butterfield G.R., Clark D.G. Aerodynamic entrainment threshold: effects of boundary layer flow conditions // Sedimentology. 1994. Vol. 41. P. 309-328. https://doi.org/10.1111/j.1365-3091.1994.tb01408.x

  23. Pähtz T., Valyrakis M., Zhao X.-H., Li Z.-S. The critical role of the boundary layer thickness for the initiation of aeolian sediment transport // Geosciences. 2018. Vol. 8. 314. https://doi.org/10.3390/geosciences8090314

  24. Lämmel M., Rings D., Kroy K. A two-species continuum model for aeolian sand transport // New J. Phys. 2012. Vol. 14. 093037. https://doi.org/10.1088/1367-2630/14/9/093037

  25. Emmerling R. The instantaneous structure of the wall pressure under a turbulent boundary layer flow // Mitteilun-gen aus dem Max-Planck Institut für Strömungsforschung. 1973. B. 9. P. 1-25.

  26. Горчаков Г.И., Карпов А.В., Кузнецов Г.А., Бунтов Д.В. Квазипериодическая сальтация в ветропесчаном потоке на опустыненной территории // Оптика атмосферы и океана. 2016. Т. 29, № 6. С. 472-477. https://doi.org/10.15372/AOO20160604

  27. Martin R.L., Kok J.F. Distinct thresholds for the initiation and cessation of aeolian saltation from field measurements // J. Geophys. Res. Earth Surface. 2018. Vol. 123. P. 1546-1565. https://doi.org/10.1029/2017JF004416

  28. Куликов А.И., Цыдыпов Б.З., Хамнаева Г.Г., Содномов Б.В. О количественных параметрах загрязнения урбанизированных территорий в контексте процессов опустынивания (на примере г. Закаменска, Республики Бурятия) // Вестник ИрГТУ. 2014. № 12(95). С.75-82.

  29. Dupont S., Bergametti G., Simoëns S. Modeling aeolian erosion in presence of vegetation // J. Geophys. Res. Earth Surface. 2014. Vol. 119. P. 168-187. https://doi.org/10.1002/2013JF002875

  30. Biegert E., Vowinckel B., Meiburg E. A collision model for grain-resolving simulations of flows over dense, mobile, polydisperse granular sediment beds // J. Comput. Phys. 2017. Vol. 340. P. 105-127. https://doi.org/10.1016/j.jcp.2017.03.035

  31. Liu Y., Fang H., Huang L., He G. Numerical simulation of the production of three-dimensional sediment dunes // Phys. Fluid. 2019. Vol. 31. 096603. https://doi.org/10.1063/1.5108741

  32. Wang P., Feng S., Zheng X., Sung H.J. The scale characteristics and formation mechanism of aeolian sand streamers based on large eddy simulation // J. Geophys. Res. Atmos. 2019. Vol. 124. P. 11372-11388. https://doi.org/10.1029/2019jd031081

  33. Wang C., Anderson W. Turbulence coherence within canonical and realistic aeolian dune-field roughness sublayers // Boundary-Layer Meteorol. 2019. Vol. 173. P. 409-434. https://doi.org/10.1007/s10546-019-00477-w

  34. Siminovich A., Elperin T., Katra I., Kok J.F., Sullivan R., Silvestro S., Yizhaq H. Numerical study of shear stress distribution over sand ripples under terrestrial and Martian conditions // J. Geophys. Res. Planets. 2019. Vol. 124. P. 175-185. https://doi.org/10.1029/2018JE005701

  35. Yang X.I.A., Xu H.H.A., Huang X.L.D., Ge M.-W. Drag forces on sparsely packed cube arrays // J. Fluid Mech. 2019. Vol. 880. P. 992-1019. https://doi.org/10.1017/jfm.2019.726

  36. Michelsen B., Strobl S., Parteli E.J.R., Pöschel T. Two-dimensional airflow modeling underpredicts the wind velocity over dunes // Scientific reports. 2015. Vol. 5. 16572. https://doi.org/10.1038/srep16572

  37. Lignarolo L., Gorlé C., Parente A., Benocci C. Large eddy simulation of the atmospheric boundary layer using OpenFOAM // Proc. of the13th Int. Conf. on Wind Engineering. ICWE13, Amsterdam, Netherlands, July 10-15, 2011. https://www.researchgate.net/publication/247778744_Large_eddy_simulation_of_the_atmospheric_boundary_layer_using_OpenFOAM

  38. Ali M.S.M., Salim S.A.Z.S., Ismail M.H., Muhamad S., Mahzan M.I. Aeolian tones radiated from flow over bluff bodies // Open Mech. Eng. J. 2013. Vol. 7. P. 48-57. https://doi.org/10.2174/1874155X01307010048

  39. Araújo A.D., Parteli E.J.R., Pöschel T., Andrade J.S., Herrmann H.J. Numerical modeling of the wind flow over a transverse dune // Scientific reports. 2013. Vol. 3. 2858. https://doi.org/10.1038/srep02858

  40. Faria R., Ferreira A.D., Sismeiro J.L., Mendes J.C.F., Sousa A.C.M. Wind tunnel and computational study of the stoss slope effect on the aeolian erosion of transverse sand dunes // Aeolian Research. 2011. Vol. 3. P. 303-314. https://doi.org/10.1016/j.aeolia.2011.07.004

  41. Kang L., Guo L. Eulerian–Lagrangian simulation of aeolian sand transport // Powder tech. 2006. Vol. 162. P. 111-120. https://doi.org/10.1016/j.powtec.2005.12.002

  42. Parsons D.R., Wiggs G.F.S., Walker I.J., Ferguson R.I., Garvey B.G. Numerical modelling of airflow over an idealised transverse dune // Environ. Model. Software. 2004. Vol. 19. P. 153-162. https://doi.org/10.1016/S1364-8152%2803%2900117-8

  43. Schatz V., Herrmann H.J. Flow separation in the lee side of transverse dunes: A numerical investigation // Geomorphology. 2006. Vol. 81. P. 207-216. https://doi.org/10.1016/j.geomorph.2006.04.009

  44. Tong D., Huang N. Numerical simulation of saltating particles in atmospheric boundary layer over flat bed and sand ripples // J. Geophys. Res. Atmos. 2012. Vol. 117. D16205. https://doi.org/10.1029/2011JD017424

  45. Turpin C., Badr T., Harion J.-L. Numerical modelling of aeolian erosion over rough surfaces // Earth Surface Processes and Landforms. 2010. Vol. 35. P. 1418-1429. https://doi.org/10.1002/esp.1980

  46. Zheng X.J., Bo T.L., Xie L. DPTM simulation of aeolian sand ripple // Sci. China Ser. G-Phys. Mech. As. 2008. Vol. 51. P. 328-336. https://doi.org/10.1007/s11433-008-0020-y

  47. Li Y., Guo Y. Numerical simulation of aeolian dusty sand transport in a marginal desert region at the early entrainment stage // Geomorphology. 2008. Vol. 100. P. 335-344. https://doi.org/10.1016/j.geomorph.2008.01.006

  48. Ji S.B., Gerber A.G., Sousa A.C.M. A convection–diffusion CFD model for aeolian particle transport // Int. J. Numer. Meth. Fluid. 2004. Vol. 45. P. 797-817. https://doi.org/10.1002/fld.724

  49. Дерябина М.С., Мартынов С.И. Моделирование течения вязкой жидкости с частицами через ячейки пористой среды // Вычисл. мех. сплош. сред. 2016. Т. 9, № 4. С. 420-429. https://doi.org/10.7242/1999-6691/2016.9.4.35

  50. Мартынов С.И., Ткач Л.Ю. Динамика цепочечных агрегатов частиц в потоке вязкой жидкости // Ж. вычисл. матем. и матем. физ. 2016. Т. 56, № 5. С. 840-855. https://doi.org/10.7868/S004446691605015X

  51. Гарбарук А.В., Стрелец М.Х., Шур М.Л. Моделирование турбулентности в расчетах сложных течений. СПб: Изд-во Политех. ун-та, 2012. 88 с.

  52. Perry A.E., Schofield W.H., Joubert P.N. Rough wall turbulent boundary layers // J. Fluid Mech. 1969. Vol. 37. P. 383-413. https://doi.org/10.1017/S0022112069000619

  53. The OpenFOAM® Foundation. http://www.openfoam.org/index.php

  54. Krumbein W.C. Size frequency distributions of sediments and the normal phi curve // J. Sediment. Res. 1938. Vol. 8(3). P. 84-90. https://doi.org/10.1306/D4269008-2B26-11D7-8648000102C1865D

  55. Bauer B.O., Houser C.A., Nickling W.G. Analysis of velocity profile measurements from wind-tunnel experiments with saltation // Geomorphology. 2004. Vol. 59. P. 81-98. https://doi.org/10.1016/j.geomorph.2003.09.008

  56. Gu Z., Zhao Y., Li Y., Yu Y., Feng X. Numerical simulation of dust lifting within dust devils-simulation of an intense vortex // J. Atmos. Sci. 2006. Vol. 63(10). P. 2630-2641. https://doi.org/10.1175/JAS3748.1

  57. Roney J.A., White B.R. Definition and measurement of dust aeolian thresholds // J. Geophys. Res. Earth Surface. 2004. Vol. 109. F01013. https://doi.org/10.1029/2003JF000061

  58. Minvielle F., Marticorena B., Gillette D.A., Lawson R.E., Thompson R., Bergametti G.Relationship between the aerodynamic roughness length and the roughness density in cases of low roughness density // Environ. Fluid Mech. 2003. Vol. 3. P. 249-267. https://doi.org/10.1023/A:1022830119554

  59. Durst F., Miloievic D., Schönung B. Eulerian and Lagrangian predictions of particulate two-phase flows: a numerical study // Appl. Math. Model. 1984. Vol. 8. P. 101-115. https://doi.org/10.1016/0307-904X(84)90062-3

  60. Krupp H. Particle adhesion: theory and experiment // Advan. Colloid Interface Sci. 1967. Vol. 1. P. 111-239. https://doi.org/10.1016/0001-8686(67)80004-6

Опубликован
2020-06-30
Как цитировать
Малиновская, Е. А., & Чхетиани, О. Г. (2020). Об условиях ветрового выноса частиц почвы. Вычислительная механика сплошных сред, 13(2), 175-188. https://doi.org/https://doi.org/10.7242/1999-6691/2020.13.2.14
Раздел
Статьи