Численное моделирование течения в атмосферном пограничном слое над лесным пологом

• Автор: Гаврилов, Константин Алексеевич
• Шифр специальности: 01.02.05
• Научная степень: Кандидатская
• Год защиты: 2010
• Место защиты: Пермь
• Количество страниц: 180 с. : ил.

Содержание
Содержание
Введение
1. Обзор литературы
2. Общая характеристика работы
Глава I. Атмосферное течение над однородным лесным пологом
1.1 Метод моделирования крупных вихрей (Large Eddy Simulation)
1.2 Постановка задачи. Описание области течения и численного метода
1.3 Когерентные структуры в процессе формирования турбулентного течения
(mixing transition)
1.4 Статистические характеристики течения
1.5 Когерентные структуры в развитом турбулентном течении
1.6 Заключение к главе
Глава 2. Атмосферное течение над неоднородным лесным пологом
2.1 Постановка задачи
2.2 Структура течения, результаты расчетов
2.3 Сопоставление результатов LES с экспериментальными данными
2.4 Заключение к главе
Глава 3. Распространение пассивной примссн над лесным пологом
3.1 Постановка задачи
3.2 Волны Кельвина - Гельмгольца н перенос примеси
3.3 Динамика течения
3.4 Распространение примеси в развитом турбулентном течении
3.5 Заключение к главе
Глава 4. Моделирование течения над разреженным лесным пологом с помощью пакета FDS
4.1 Описание программного пакета FDS
4.2 Постановка задачи
4.3 Результаты численного моделирования
4.4 Заключение к главе
Заключение
Библиографический список использованной литературы
Приложение. Краткое описание пакета FJRESTAR 3D
1. Алгоритм численного решения
2. Параллельные вычисления
Введение
Представленная работа посвящена изучению турбулентного режима течения воздуха внутри растительного покрова и влияния лесных массивов на структуру атмосферного пограничного слоя. Интерес к этой проблеме обусловлен тем обстоятельством, что развитие растительности в сильной степени зависит от процессов обмена теплом, влагой и углекислотой в растительном сообществе. Зеленые насаждения в городах создают особый микроклимат с температурными и влажностными характеристиками, отличными от фоновых. Таким образом, исследование трансформации свойств воздушной массы при натекании на растительность, которая обусловлена в первую очередь турбулентным обменом, имеет определенное значение для градостроительства. Кроме того, для прогнозирования глобальной циркуляции, теплового и водного режимов атмосферы необходимо принимать во внимание взаимодействие воздушных течений с крупными лесными массивами (например, в тропических лесах). Численное моделирование течения в атмосферном пограничном слое над лесным пологом представляет несомненный интерес с точки зрения рационального природопользования, развития технологий прогнозирования н управления природными системами.
1. Обзор литературы
Атмосферный пограничный слой
Атмосферный пограничный слой (atmospheric boundary layer, ABL) -это область атмосферы, структура которой формируются под влиянием земной поверхности. Наблюдаемые в этом пограничном слое потоки массы, импульса и тепла возникают вследствие взаимодействия с земной поверхностью: трения, испарения, теплопередачи, неоднородностей

поверхности и т.д. Турбулентное течение в атмосфере представляет собой суперпозицию взаимодействующих вихревых структур различных размеров (временных масштабов), варьирующихся от миллиметра (секунды) до нескольких километров (часов).
Рис. 1 Структура атмосферного пограничного слоя (взято из работы [1]).
Схематическое изображение различных слоев в атмосферном течении, а так же характерные вертикальные распределения средней скорости U, напряжении Рейнольдса —u'w и турбулентной кинетической энергии к
Структура атмосферного пограничного слоя схематически изображена на рис. 1. В соответствии с доминирующими процессами и характерным масштабом течения в нижней части атмосферы можно выделить три слоя [1J: поверхностный слой (surface layer), Экмановский слой (Ekman layer) и свободную атмосферу (free atmosphere). По мере приближения к земной поверхности средняя скорость течения стремится к нулю вместе с турбулентной кинетической энергией и турбулентными пульсациями. Поскольку рассматриваются течения при больших числах Рейнольдса, влиянием вязкости можно пренебречь всюду, за исключением тонкого вязкого подслоя (viscous sublayer), расположенного вблизи нижней поверхности. Над этой областью находится подслой шероховатости

три области. В нижней области в потоке преобладают мелкие вихри, образующие вихревую дорожку Кармана позади штырьков. Во второй области на уровне верхней границы покрова наблюдаются вихри, подобные тем, что возникают в сдвиговых потоках (вихри Кельвина — Гельмгольца). Наконец, в третьей области над модельным пологом свойства течения описывает классическая теория подобия в пограничном слое атмосферы. В работе [101] показано, что используя предложенную модель, можно достаточно точно воспроизвести распределения средней скорости и напряжений Рейнольдса, полученные в экспериментах с различной плотностью модельного растительного покрова.
В работе [102] для изучения характеристик течения над модельным растительным пологом (системы вертикальных штырьков) в аэродинамической трубе используется метод PIV (Particle Image Velocimetry). Применяется метод анализа по квадрантам, при этом внимание уделяется принципиальному отличию событий типа “выметание” и эжекции. При выметании над верхней границей полога генерируется узкий сдвиговый слой с высокой интенсивностью турбулентности, содержащий множество мелкоразмерных вихрей. Во время эжекции подъемное течение рас тягивает и переносит этот сдвиговый слой и связанные с ним мелкие вихри в пространство над пологом. Таким образом, в экспериментах при выметании наблюдается резкий пик в вертикальном распределении турбулентной кинетической энергии и напряжений Рейнольдса па уровне высоты растительного полога, а при эжекции — размытый максимум над верхней границей покрова. Кроме того, в работе [102] используются различные подходы для оценки скорости диссипации турбулентной кинетической энергии, основанные на выборе подходящей аппроксимации для спектральной функции распределения энергии и измерении потоков энергии па различных подсеточных масштабах.
Экспериментальные данные о турбулентном потоке в аэродинамической трубе над модельным растительным пологом, полученные