湍流边界层中拉格朗日沉降粒子的相空间建模与唯象建模方法比较
流体动力学
2023-07-26 v1 大气与海洋物理
地球物理
摘要
在适当条件下，穿过大气边界层沉降的惯性粒子（如沙或尘）由于其惯性，其平均沉降速度可经历净增强。由于这种增强源于其与周围湍流的相互作用，必须在粗尺度上建模。在中尺度天气模型中具有实际应用的分散相增强沉降速度（或沉积）模型通常是特设的，或建立在唯象闭合假设之上，这意味着粒子的一般沉积率是关键的不确定性。我们未采用唯象方法，而是可使用精确的相空间方法来建模导致增强沉降的物理机制，并可建立惯性粒子增强沉降的更一般参数化。本工作中，我们利用直接数值模拟（DNS）与相空间方法，评估针对具有不同摩擦斯托克斯数与沉降速度参数的惯性粒子之增强沉降速度的唯象建模方法的有效性。我们利用DNS数据估计粒子所采样流体速度的漂移-扩散基参数化的剖面，这对确定低至中等斯托克斯数粒子的沉降速度行为至关重要。我们发现，在中等摩擦斯托克斯数下通过增大沉降速度参数，优先扫掠的幅度被改变，且该行为可由漂移分量解释。我们随后利用这些剖面论证，唯象模型中使用的类涡扩散闭合是不完备的，依赖于不充分的经验修正。最后，我们讨论了将精确相空间方法与更简单的唯象方法相协调以用于粗尺度天气模型的机会。
引用
@article{arxiv.2307.13659,
title = {Comparing phase-space and phenomenological modeling approaches for Lagrangian particles settling in a turbulent boundary layer},
author = {Andrew P. Grace and David H. Richter and Andrew D. Bragg},
journal= {arXiv preprint arXiv:2307.13659},
year = {2023}
}