风雪流灾害数值模拟研究进展

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1、http://www.paper.edu.cn风雪流灾害数值模拟研究进展11,2马向贤，梁收运1兰州大学土木工程与力学学院，甘肃兰州(730000)2西部灾害与环境力学教育部重点实验室，甘肃兰州(730000)E-mail:maxxan04@lzu.cn摘要：风雪流为空气挟带着雪粒子运行的非典型的气-固两相流，人类研究已接近60个年头。在国内外学者的共同努力下，基础理论研究日趋成熟，提出了湍流扩散理论、顺利的研究出了风雪的运动特性、垂直分布规律以及输运规律、雪粒子的物理性质等。数值模拟由于发展较晚，模

2、型不完善，开发的软件还不能紧跟理论，显得还不够成熟，如气-固两相流理论还不完善、模拟没有考虑雪的物理性质随时间和环境的随机变化、模型总体比较简单，不适合复杂地区雪灾害的分析和研究等。但也提出了一些模型和软件，如FLOW-3D、CFD(Fluent)、IAP94、SNOWPACK等。关键字：风雪流，数值模拟，预测模型，进展风雪流(又称风吹雪)在全球分布广泛，出现频繁。它不仅是极地冰盖、高山冰川和雪崩的物质来源，诱发并加重冰雪洪水、雪崩、泥石流及滑坡等自然灾害，其直接给工农业生产和人民的生命财产造成严重的

3、损失。如1978年2月上旬，美国东北部的新英格兰地区一场暴风雪造成的经济损失就达80亿美元;2001年3月5日，一场强烈的暴风雪又一次袭击了新英格兰地区，公路和铁路全部停运，3500架次航班被迫取消，所有的学校被迫关闭，暴风雪沿途所经的各州进入紧急状态，在我国，风雪流造成危害的严重性也较显著。例如，1983年4月中旬，黑龙江省西部暴风雪阻塞交通，中断电网，大庆停工，经济损失达1.6亿元，2003年11月19日晚8时至21日早8时，内蒙古呼伦贝尔草原出现大雪天气，降雪面积达9500万亩，46个乡的300

4、万头牲畜被困和5万多名牧民的正常生产生活面临严重威胁。2003年11月7日到9日，陕西境内突然降雪，造成212省道秦岭段出现堵车，数百辆汽车被困[25-27]秦岭山中20多个小时。与此同时，延安-安塞、榆林-靖边高速公路因积雪严重被迫封闭。风雪流灾害对人类生命财产的影响不堪估计，研究好它的形成和发展已迫在眉睫。目前，风雪流灾害研究取得了较多成果，Dyunim、Komarov(1954)、Budd(1966)、Kobayashi(1972)、Schmidt和Maeno(1981)、Mellor&Whit

5、e(1995)、Konosuke&Nishimura(1998)王中隆、李长治等(1989)等对风雪的运动特性、垂直分布规律以及输运规律、雪粒子的物理性质等基础理论进行了研究和模拟。数值模拟作为风雪流灾害研究的前沿和重难点，对其进行回顾和展望对下一步研究工作具有重要的意义。1.研究现状风雪流为空气挟带着雪粒子运行的非典型的气-固两相流，隶属于20世纪五六十年代形成的冰雪学，那时起世界学者就对风雪的运动特性、垂直分布规律以及输运规律、雪粒子的物理性质等基础理论进行了研究。1951年何林首先对雪粒子的跃移

6、运动、输运量和垂直分布规律进行了研究;1953年盐谷提出了均匀雪粒子的湍流扩散理论;Dyunim、Komarov(1954)、Budd(1966)、Kobayashi(1972)以及Takeuchi(1980)均通过不同的方式建立了风速同输雪率之间的函数关系;Budd则在1966年提出了非均匀雪粒子的湍流扩散理论;金田和前野1980年提出雪流密度、粒径、温度与粘性系数关系的经验公式;Schmidt和Maeno(1981)从理论和试验两方面探讨了平均风速廓线分布规律与风雪流密度之间的关系，同时还得出了不

7、同输运层风速廓线的分布规律。S.Kobayashi,Mellor以及White等人(1995)研究了雪粒子在风的作用下-1-http://www.paper.edu.cn从雪表面起动时的风速及其影响因素。Owen、Radok及Table在Mello等人(2000)研究的基础上总结了悬移层、跃移层风雪流输运率同临界摩阻速度之间的关系，确定了对数风速廓线中临界摩阻速度大致取值范围。Konosuke和Nishimura在1998年利用Schmidt发明的雪粒子测量器，研究了雪粒子直径和质量流量以及输运率之间

8、的关系。我国对风雪流的研究始于二十世纪六七十年代。1967年中国科学院兰州冰川冻土研究所和兰州沙漠研究所(现在为中国科学院寒区旱区环境与工程研究所)、新疆交通厅公路管理局、中国科学院新疆地理研究所等单位系统开展了天山风雪流研究。这代表我国对风雪流灾害研究的开始。之后，王中隆、李长治等(1989)根据天山艾肯达坂地区的野外观测和风洞模拟实验，给出了具体路段吹雪输送量和山区风雪流风速随高度分布计算公式，并指出贴地气层分离是形成道路雪阻的主要原因。2001年，