[论文解读] The transport and deposition of heavy particles in complex terrain: insights from an Eulerian model for large eddy simulation

Scott T. Salesky, Marco G. Giometto+3 more|arXiv (Cornell University)|Mar 8, 2019

Aeolian processes and effects参考文献 96被引用 4

一句话总结

本文提出了一种新颖的欧拉法大涡模拟（LES）框架，结合浸入边界法与有限体积切割单元离散化，用于模拟复杂地形上的重粒子输运与沉积。结果表明，由平均流加速驱动的粒子惯性会增强迎风坡的沉积，同时抑制背风坡的沉积，且平均惯性效应的大小是湍流分量的六倍。

ABSTRACT

The transport and deposition of heavy particles over complex surface topography by turbulent fluid flow is an important problem in a number of disciplines, including sediment and snow transport, ecology and plant pathology, aeolian processes, and geomorphology. This article presents a framework to simulate the transport and deposition of heavy particles over complex surfaces using the large eddy simulation (LES) technique. An immersed boundary LES code is coupled with an Eulerian particle code that solves the advection-diffusion equation for the resolved particle concentration field. The mass conservation equation for the particle phase is discretized in a finite volume framework using a Cartesian cut cell method that reshapes finite volume cells intersected by the immersed boundary surface and conserves mass accurately. The proposed numerical model is compared with data from wind tunnel experiments of heavy particle deposition over topography and is found to have good agreement with observed deposition patterns. An LES case study of snow deposition over idealized topography leads to several new insights. Particle inertia leads to relative velocities between the particles and fluid in regions of mean flow acceleration, thereby enhancing deposition on the windward side of obstacles and suppressing deposition on the leeward side. In addition, it is found that the mean components of particle inertia are a factor of 6 or more larger than the turbulent components, indicating that the enhancement/suppression of deposition by topography can be modeled in terms of mean flow quantities.

研究动机与目标

• 开发一种高保真度的数值模型，用于模拟复杂地形上的湍流输运与重粒子沉积。
• 解决在具有陡峭粒子浓度梯度的复杂几何体中精确保持质量守恒的挑战。
• 研究地形特征如何通过湍流流场相互作用影响粒子沉积模式。
• 量化平均流与湍流分量在沉积过程中对粒子惯性的相对贡献。
• 将模型与风洞实验进行对比验证，并将其应用于理想化的积雪沉积案例。

提出的方法

• 采用浸入边界法在结构化笛卡尔网格中表示复杂地形，实现对边界的精确解析。
• 采用有限体积切割单元法重构与固体边界相交的单元，并确保粒子相的严格质量守恒。
• 在欧拉框架下使用二阶精度时间积分格式求解粒子浓度的对流-扩散方程。
• 利用德·瓜定理与散度定理计算切割单元上的面面积与法向量等几何量。
• 应用保守混合模型以稳定小体积分数的切割单元，同时在不减小时间步长的前提下保持数值稳定性。
• 混合分数基于法向量分量与目标单元体积分数确定，采用幂律加权以增强数值鲁棒性。

实验结果

研究问题

• RQ1 地形如何影响湍流流场下重粒子沉积的空间分布？
• RQ2 平均流加速度与粒子惯性在迎风坡与背风坡沉积模式中分别起到多大程度的主导作用？
• RQ3 粒子惯性的平均分量与湍流分量在沉积增强或抑制中各自贡献多少？
• RQ4 是否可仅通过平均流量准确捕捉由地形引起的沉积模式？
• RQ5 所提出的LES模型在多大程度上能复现风洞实验中观测到的沉积模式？

主要发现

• 模型与风洞实验结果具有良好一致性，能够准确复现复杂地形上的观测沉积模式。
• 粒子惯性导致在平均流加速区域中粒子与流体之间产生相对速度，从而增强迎风坡的沉积。
• 由于相对速度降低与流场减速，背风坡的沉积受到抑制。
• 研究发现，粒子惯性的平均分量至少是湍流分量的六倍，表明仅使用平均流量即可对沉积模式进行建模。
• 保守混合模型成功在小体积分数的切割单元中维持了数值稳定性和质量守恒。
• 该框架实现了对理想化地形上积雪沉积的高分辨率模拟，揭示了平均流在塑造沉积模式中的主导作用。