土木工程防灾国家重点实验室风洞试验室
积雪是重要的淡水资源,给人类带来很多好处的同时也造成了多种灾害,被认为是世界面临的十大灾害之一。积雪在地球上分布广泛,分为自然积雪、风吹雪和雪崩三大形态。风吹雪,又称风雪流,是雪颗粒被风卷起后随风运行的一种现象,给人类造成损失的雪灾很多与风吹雪有关。2009年11月中上旬华北地区发生历史罕见的暴雪,强降雪造成多条高速公路阻塞,民航班机延误,疏散滞留旅客和转移安置受灾群众达16万多人,灾区生产生活秩序受到严重影响。雪灾不仅仅出现在我国北方,对我国南方地区同样造成严重影响。2008年初雨雪冰冻灾害肆虐南方,造成重大灾害,特别是对交通运输、能源供应、电力传输带来极大破坏。因灾死亡107人,倒塌房屋35.4万间,受灾人口达1亿多人,直接经济损失达400多亿元。2010年12月12日,美国中西部地区遭遇暴风雪袭击,明尼苏达州局部地区的积雪达到了近2英尺(约合61厘米)高,明尼苏达维京人队体育场(可容纳观众6.4万人)的圆型屋顶被积雪压塌。
二十世纪中下叶,随着人们对风吹雪的重视,关于风雪流的研究也随之展开,形成了雪工程的学科。国内外对雪工程的研究有很多方面,例如雪水循环研究、雪崩灾害研究、公路积雪研究、草原雪灾研究等等。风吹雪是雪工程研究的一个分支。1941年Bagnold的研究成果奠定了风沙两相流运动的基础,同时也对后来风吹雪的发展产生了巨大的影响。Bagnold提出颗粒蠕移、跃移及悬移的传输方式等概念被直接引入到风吹雪研究中。
风吹雪属于气固两相流。与单相气体流比较,由于气固两相流中含有两种不相溶混的相,描述其流动的参数要远多于描述单相流的参数;同时,固体分散相的颗粒大小变化会引起流动性质及流动结果的变化。这些特性使得气固两相流的运动情况远比单相流复杂,严格进行求解几乎不可能实现。风吹雪的研究主要有实地观测、风洞(水槽)试验及数值模拟三种方式。
风吹雪作为自然现象,最可靠、最直接的信息是来自于实地观测。通过实地观测,可以对风雪流的运动机理有清晰的认识,同时实地测量到的结果可以对其他研究手段的成果进行验证。然而,实地观测周期长,耗费大,而且风吹雪具有随机性、突发性及难以人为控制的特点,这都给实测工作带来困难。
风洞试验是研究风吹雪的主要试验方法。风洞试验通过模型与原型之间的相似关系,使风吹雪在条件可控的实验室中得到重现。
风吹雪的实地观测及风洞试验的研究成果为数值模拟奠定了基础,有关风吹雪的数值模拟始于20世纪90年代前期。数值模拟方法可以分为欧拉-拉格朗日方法和欧拉-欧拉方法两类。欧拉-拉格朗日方法把空气相视为为连续相,直接求解流体方程;把雪相认为离散介质,通过受力分析结合牛顿运动定律来获得雪颗粒的运动轨迹,从而得到风致积雪的分布情况。在风吹雪研究领域通常多采用欧拉-欧拉方法。
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