matlab00138 颗粒带电对风雪流临界摩阻风速的影响研究

摘要：

本文分析了影响风雪颗粒起动机制所受的力的作用，如拖曳力、重力、粘聚力和电场力等。在此基础上，建立了风雪流运动的数学模型，并分析了风雪颗粒所受的拖曳力、粘聚力和电场力的影响因素。然后，建立了风雪颗粒临界摩阻风速模型，并利用MATLAB软件对临界摩阻风速进行仿真计算，分析了临界风速随风雪颗粒电场和电荷的变化关系。最后，研究了不规则粒子的临界起动风速随机模型。

1.1        本文主要工作

本文从风雪流运动中的单颗雪粒的受力分析入手，对平坦床面上雪粒的起动过程的力学机理进行了较为全面的分析，讨论了在以往的研究中通常被忽略的电场作用力在不同的情况下对雪粒运动的影响。基于对风雪流运动机理的分析,结合己有的初速度分布函数,对风雪流起动运动临界状态进行数值模拟,求解了相关的物理量并与实验结果进行了比较。

本文主要研究内容如下：

1)        分析单颗雪粒在平坦雪床上的受力情况；

2)        在受力分析的基础上建立了雪粒临界起动摩阻风速的数学模型；

3)   利用Matlab软件对颗粒临界摩阻风速进行仿真；

4)        分析单颗雪粒表面温度、粒径、积雪时间、风雪电场以及带电量对临界起动摩阻风速的影响。

2          风雪流运动机理及其影响因素

风雪流形成必须具备两个条件：大量的雪和使雪粒能够起动运行的风，降雪和积雪是风雪流的物质来源；而风则是风雪流形成的动力，它决定着风雪流的发展方向和运动规律。当穿过雪源的风速达到一定数值时，沿雪表面呈水平与垂直运动的微小漩涡群把雪粒卷入气流，在地面或近地气层中运行。所谓起动风速就是刚刚能使雪粒起动运行的风速。在《中国风雪流及其防治研究》一书中，王中隆认为：影响雪粒起动的因子较多，既与积雪本身的物理力学特性（如积雪密度、雪粒粒径、积雪深度、积雪硬度等）有关，又与太阳辐射、气温、地温、地表粗糙度相联系。他通过实地观测单独讨论了积雪深度和温度、雪粒粒径、积雪密度以及地表粗糙度对起动风速的影响。但他没有在综合考虑各种因素的情况下给出起动风速的计算方法。马高生等在考虑重力、拖曳力、粘聚力的情况下采用三颗粒紧密接触的模型分别讨论了温度、积雪时间以及雪粒粒径对起动摩阻风速的影响。

雪床表面静止的雪粒开始运动时所对应的床面风速即为雪粒的临界起动风速。雪粒的起动以及临界风速研究是风雪流形成过程中需要关注的首要问题。

1.1        风雪流的形成机理

当风速达到雪粒起动风速并不断增大时,雪粒有一个从动而不移(振动)，移而不离开雪表面(滚动)，移仅仅发生在极短时间和极短距离内(滑移)，到短时间离开雪表面作较低高度的跳跃(跃移)，以及作长时间较高高度和远距离漂浮(悬移)这样的运动过程[l0]。将风雪流运动过程分成三个阶段，第一阶段雪粒子的起动：雪粒子在风的作用下获得动能，由静止状态在近地面开始运动；第二阶段雪粒子的运移：在风的持续作用下雪粒子获得较多的动能发生跃移和悬移，大量的雪粒子得到运移，即输雪的主要阶段；第三阶段雪粒子的堆积：雪粒子在某地动能减小，在该地降落发生堆积。理论上三个阶段先后依次发生即为风吹雪运移的一个完整过程，而实际上三个阶段会同时发生。