风雪流灾害数值模拟研究进展.pdf

- 1 -风雪流灾害数值模拟研究进展风雪流灾害数值模拟研究进展 马向贤1，梁收运1,2 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@ 摘摘 要：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：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 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[25-27]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) 、Mellor1953 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 - 2 -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，王中隆出版了我国第一本风雪流专著《中国风雪流及其防治研究》。

2002 年，内蒙古锡林郭勒盟交通科学研究所， 黑龙江省交通科学研究所和吉林大学共同参与了西部交通部建设项目《公路风吹雪雪害成因与预警研究》，总结并提出了具有普遍指导性和适用性的一套较为完整的公路风吹雪理论体系[1-5,26] 1.1 仿真模拟研究现状仿真模拟研究现状 20世纪八十年代随着计算机技术以及计算流体力学的发展， 国外一些学者尝试着用各种仿真技术来模拟风雪流发生以及堆积、吹蚀、运移过程各种描述风雪流两相流动的湍流模型也不断涌现在Liston修改的基十时均N-S方程的湍流模型基础上，Uematsu首先提出了跃移层风雪流输运质量方程和运用颗粒质量-浓度方程解释扩散过程;Naaim构建了雪粒子堆积和吹蚀模型来描述雪表面和风雪流之间的质量交换 例如:Sato等人提出基于欧拉观点、 多相流、Prandtl混合长度湍流模型等理论，利用有限体积法模拟风雪流过程的方法，此方法还包括悬移层扩散过程的模拟以及用经验公式描述跃移层雪输运量变化情况Liston等研究者提出应用简单的k-ε湍流模型，根据雪粒子输运量信息来填充控制单元的方法来模拟雪的堆积过程Sundsbo和Bang两个人则采用VOF(volume of fluid)方法，应用FLOW-3 D流体计算软件模拟雪的下沉、堆积、吹蚀以及瞬态雪表面高度变化情况的风雪流发展变化过程，其模拟时需要求解空气-雪混合质量和动量守恒方程、悬移层雪浓度守恒方程及基于经验公式的跃移层雪输运量的计算方程，其悬移层雪浓度是通过计算颗粒对流-扩散方程得到的。

Naaim等研究者所采用的模拟方法则考虑了堆积和吹蚀现象所引起计算域内质量和动量的变化情况， 由于这种模拟方法是根据雪表面暂时的变化改变计算网格， 从而实现了雪粒子随时间变化产生的堆积和吹蚀另外，虽然国外有许多研究者使用CFD预测防雪栅(如:sundsbo,1997；S.Alhajraf,2004)和房屋(Thomas ,2000)、( Waechter,1997)附近的风雪流分布情况，但只有很少一部分人用CFD来仿真、预测复杂地形条件下风雪流分布状况S.Thordarson和H.Norem两个人运用FLOW-3D模拟计算了公路附近流场及单元内雪的体积分数变化情况，同时结合FAV OR技术确定可适应复杂地形的二维网格，根据实际观测确定边界条件及初始条件，从而仿真计算风雪流的运动状况Walmsley and co-workers(1982)和Tarloy et al.(1983)用MS3DJH/SR对复杂地带风雪流分布进行了模拟[1,5,15-16,25] 我国目前计算机仿真技术的研究还处于初期阶段主要应用FLUENT (FLUENT 的软件设计基于“CFD 计算机软件群的概念”,针对每一种流动的物理问题的特点,采用适合于它的数值解法在计算速度、稳定性和精度等各方面达到最佳)和ANSYS 软件来模拟风雪流灾害。

胡朋、郑传超(2005)用ANSYS模拟了有挡雪结构物的风速场情况，张林林、李森等(2005)、席建峰、 应成亮等、 郝宇博等(2006)用FLUENT 的软件对风雪流灾害的流场进行了模拟[17-20] - 3 -1.2 预测模型研究现状预测模型研究现状 国际上进行相关模拟研究的主要是一些专业灾害研究机构和大学 如日本的长冈冰雪灾害研究所(Naaoka Institute of Snow 二是大中型区域风吹雪短期预测/预报，多使用卫星遥感技术、天气预报进行预警，主要用十自然灾害的预报和运输及交通安全的研究如法国和 t 冰岛共同研发 Ventose 系统，通过该系统可以对风速风向进行较准确预报估计，还可进行 24 小时的高吹雪事件预测实验Anderson(1973)给出的 SNOW-17，目前应用最为广泛三是小区域风吹雪短期预测/预报，主要用于运输及交通安全的研究(集中于风吹雪所造成的视程障碍)如美国工程特种兵工程研究发展中心一一寒区工程实验室研究的 SNTHER 模型，被美国联邦公路局所应用，对小区域的风雪流危害进行预测在三类系统中，对积雪或雪害的预测均依靠完整的模型体系1998 年，美国科罗拉多州大学 Liston, GE.and M.Sturm 建立了复杂地形的雪输运模型SnowTran-3D，适用于大尺度区域的风吹雪预警研究。

此外，由瑞士联邦雪与雪崩研究所( Swiss Federal Institute for Snow and Avalanche Research)开发的 SNOWPACK(Bartect and lehning， 2002;lehning et al.,2002)也在预测雪害得到了长足的用处 此外还有 Dai and Zeng 研究的 IAP94（1997）(表 1)等[5-8,12-14,25] 表 1 风雪流模型一览表 Tab 1.Tab of snow-drift model Model Multi-layerSoil model References IAP94 Yes Yes Dai and Zeng (1997) MAPS Yes Yes Smirnova et al. (2000) MATSIRO Yes Yes Takata and Emori (1999) MOSES Yes Cox et al. (1999) NOAH-LSM Yes Koren et al. (1999) SNOW-17 Anderson (1973) SNOWPACK Yes Yes Bartelt and Lehning (2001) SNTHERM Yes Yes Jordan (1991) SPONSOR Yes Shmakin (1998) SWAP Yes Gusev and Nasonova (1998) TSCM Yes Yes Yamazaki (2001) TSCM1 Kondo and Yamazaki (1990) VISA Yes Yes Niu and Yang (2000) 我国学者主要采用统计学、天气学和空气动力学相结合的方法，考虑气候背景、大尺度 - 4 -环流演变、 天气初始场等多种物理因子的信息， 建立可供业务应用的雪害预报方法和预报系统，在各地雪灾预报中取得了较好的效果。

1995 年，中国科学院兰州冰川冻土研究所将地理信息系统应用于牧区雪灾监测研究中1996 年，王中隆等通过分析甘南草地雪灾成因及其分布规律，分析了降雪天气的大气环流根据 3-4 月环流特征，进行了不同强度降雪环流分型，采用统计回归的方法，建立了甘南区域和局地的短、中、长期预报方程，雪灾预报结果较为准确2001 年，内蒙古锡林郭勒盟牧业气象试验站利用遥感信息建立了草原干旱和雪灾监测服务系统，该系统以“3S”即遥感(RS)、地理信息系统(GIS)和全球定位系统(GPS)等高新技术监测草原干旱和雪灾，要比常规方法准确、及时、直观、经济，而且获得的信息量大2003 年，贺俊杰，杨文义等介绍了以“3S”技术为依托，依据监测区域不同草原类型的土壤相对湿度与热惯量的关系等监测其干旱程度， 根据草地积雪覆盖天然牧草程度反演监测区草地积雪深度和范围，以达到监测草原雪灾的目的监测系统林建，范蕙君针对内蒙古气象站点少，分布不均匀，发报不连续的实际情况，结。