Моделирование динамики электризованного потока частиц при ветровом выносе средствами OpenFoam

Исследуется генерация пылевого аэрозоля при скачкообразном каскадном движении заряженных частиц над неровной поверхностью под влиянием ветра. Частицы движутся над двумя элементами типа ряби на эоловой поверхности под влиянием воздушного потока. За препятствиями поток сальтирующих частиц становится неравномерным, характер движения отмечается квазипериодичностью. Решалась задача включения электростатических эффектов в гидродинамическую модель, в которой учтено взаимовлияние частиц и воздушной среды. Предложена параметрическая модель, позволяющая учитывать в моделировании ветрового выноса заряженность самих пылевых частиц и подстилающей поверхности. Вычислительные эксперименты проведены с использованием открытого пакета OpenFOAM – Эйлерово-Лагранжевая турбулентная k-ω-модель. Соответственно, динамика заряженных частиц рассматривается с учётом электризации самой поверхности. Из результатов вычислительных экспериментов для различных плотностных характеристик частиц, заряженных одноименно с поверхностью, оценено влияние электрического поля на частоту изменения числа частиц в потоке, на разброс значений скоростей движения и высоту подскоков частиц, а также на ослабление эффекта воздействия частиц на среду за препятствиями. При учете влияния электростатических эффектов выявлено усиление возмущающего воздействия частиц, вылетающих после препятствий, на воздушную среду (увеличивается расстояние от препятствия, появляется больше локальных областей возмущения). Для скоростей движения сальтирующих частиц отмечается уменьшение величины дисперсии. Высота подскоков частиц увеличивается, что подтверждается известными экспериментами. Уменьшается нижнее значение характерных частот изменения числа частиц в потоке. Неравномерность потока частиц определяет изменения в интенсивности генерации пылевого аэрозоля.

1. Schmidt D.S., Schmidt R.A., Dent J.D. Electrostatic force on saltating sand. Journal of Geophysical Research: Atmospheres, 103(D8), 1998. p. 8997-9001.

2. Kok J.F., Lacks D.J. Electrification of granular systems of identical insulators. Physical Review E., V. 79(5), 1998, pp. 051304.

3. Бютнер Э.К. Динамика приповерхностного слоя воздуха. Л.: Гидрометиздат, 1978. с. 156.

4. Anderson R. S., Hallet B. Sediment transport by wind: toward a general model. Geological Society of America Bulletin, 97(5), 1986, pp. 523-535.

5. Dey S., Ali S. Z. Advances in modeling of bed particle entrainment sheared by turbulent flow. Physics of Fluids, 30(6), 2018, pp. 061301.

6. Huang G. et al. Large-Eddy Simulation of Erosion and Deposition over Multiple Two-Dimensional Gaussian Hills in a Turbulent Boundary Layer. Boundary-Layer Meteorology, 2019, pp. 1-30.

7. Малиновская Е.А. Модель отрыва песчаной частицы ветром. Известия РАН. Физика атмосферы и океана, 2017, 53(5), с.588-596.

8. Семенов О.Е. Введение в экспериментальную метеорологию и климатологию песчаных бурь. Алматы, 2011, 580 с.

9. Чхетиани О. Г. , Калашник М. В., Ингель Л. Х. Генерация “теплового ветра” над неоднородно нагретой волнистой поверхностью. Известия РАН. Физика атмосферы и океана, 49(2), 2013, c. 137–143

10. Shao Y. Physics and modeling of wind erosion. Springer Science & Business Media, 2008, 452 p.

11. Rasmussen K. R., Kok J. F., Merrison J. P. Enhancement in wind-driven sand transport by electric fields. Planetary and Space Science, 57(7), 2009, pp. 804-808.

12. Esposito F. et al. The role of the atmospheric electric field in the dust‐lifting process. Geophysical Research Letters, 43(10), 2016, pp. 5501-5508

13. Малиновская Е. А. и др. О связи приземного электрического поля и аридного аэрозоля при различных ветровых условиях. Доклады Российской академии наук. Науки о Земле, 502(2), 2022, c. 115-124.

14. Malinovskaya E.A., Gorchakov G.I., Karpov A.V., Maksimenkov L.O., Datsenko O.I.On the conditions of the emergence of a periodic mode of saltating flow. Известия РАН. Физика атмосферы и океана, 2023 (in press).

15. Tong D., Huang N. Numerical simulation of saltating particles in atmospheric boundary layer over flat bed and sand ripples. Journal of Geophysical Research: Atmospheres, 117(16), 2012

16. Huang G. et al. Large-eddy simulation of erosion and deposition over multiple two-dimensional gaussian hills in a turbulent boundary layer. Boundary-Layer Meteorology, 173, 2019, pp. 193-222.

17. Gu Z. et al. Numerical simulation of dust lifting within dust devils—Simulation of an intense vortex. Journal of the atmospheric sciences, 63(10), 2006, pp. 2630-2641.

18. Дерябина М.С., Мартынов С.И. Моделирование течения вязкой жидкости с частицами через ячейки пористой среды. Вычисл. мех. сплош. cред, 9(4), 2016, pp. 420-429. https://doi.org/10.7242/1999-6691/2016.9.4.35

19. Мартынов С.И., Ткач Л.Ю. Динамика цепочечных агрегатов частиц в потоке вязкой жидкости. Ж. вычисл. матем. и матем. физ., 56(5), 2016, c. 840-855. https://doi.org/10.7868/S004446691605015X

20. Dupont S., Bergametti G., Simoëns S. Modeling aeolian erosion in presence of vegetation. J. Geophys. Res. Earth Surface, 119, 2014, pp. 168-187.

21. Araújo A.D., Parteli E.J.R., Pöschel T., Andrade J.S., Herrmann H.J. Numerical modeling of the wind flow over a transverse dune. Scientific reports. 3, 2013, pp. 2858.

22. Dey S., Ali S.Z. Advances in modeling of bed particle entrainment sheared by turbulent flow. Phys. Fluid, 30, 2018, pp. 061301.

23. Siminovich A., Elperin T., Katra I., Kok J.F., Sullivan R., Silvestro S., Yizhaq H. Numerical study of shear stress distribution over sand ripples under terrestrial and Martian conditions. J. Geophys. Res. Planets, 124, 2019, pp. 175-185.

24. The OpenFOAM® Foundation. http://www.openfoam.org/index.php

25. Michelsen B., Strobl S., Parteli E.J.R., Pöschel T. Two-dimensional airflow modeling underpredicts the wind velocity over dunes. Scientific reports, 5. 2015, pp 16572. https://doi.org/10.1038/srep16572

26. Ali M.S.M., Salim S.A.Z.S., Ismail M.H., Muhamad S., Mahzan M.I. Aeolian tones radiated from flow over bluff bodies // Open Mech. Eng. J., 7, 2013, pp. 48-57. https://doi.org/10.2174/1874155X01307010048

27. Gu.J. Numerical modeling of the wind flow over a transverse dune. Scientific reports, 3. 2013, pp.2858.

28. Malinovskaya E. A., Chkhetiani O. G. On Conditions for the Wind Removal of Soil Particles. Journal of Applied Mechanics and Technical Physics, 62(7), 2021, pp. 1117-1131.

29. Malinovskaya E.A. Simulation of the flow around 3D surfaces in the study of changes in aeolian relief forms. International Young Scientists School and Conference on Computational Information Technologies for Environmental Sciences CITES '2019, 2019, p.192-195.

30. Malinovskaya E. A., Chkhetiani O. G. Modeling of near-surface flows over an aeolian relief. IOP Conference Series: Earth and Environmental Science. IOP Publishing, 386(1), 2019, pp. 012030.

31. Попов В.Л. Механика контактного взаимодействия и физика трения. От нанотрибологии до динамики землетрясений. Москва: Издательство Физматлит, 2013, c.213

32. Tsuji Y., Tanaka T., Ishida T. Lagrangian numerical simulation of plug flow of cohesionless particles in a horizontal pipe. Powder technology, 71(3), 1992, 239-250.

33. Горчаков Г. И. и др. Удельный заряд сальтирующих песчинок на опустыненных территориях. Доклады Академии наук, 456(4), 2014, c. 476-476.

34. Gorchakov G. I. et al. Quasiperiodic saltation in the windsand flux over desertified areas. Atmospheric and oceanic optics, 29, 2016, 501-506.

35. Anderson R. S., Hallet B. Sediment transport by wind: toward a general model. Geological Society of America Bulletin. 97(5), 1986, С. 523-535.

36. Almeida M. P., Andrade Jr J. S., Herrmann H. J. Aeolian transport layer. Physical review letters. 2006, 96(1), 018001.

37. Malinovskaya E.A., Gorchakova G.I., Karpov A. V., Maksimenkov L.O., Datsenko O.I. On the Conditions of the Emergence of a Periodic Mode of Saltating Flow. Izvestiya, Atmospheric and Oceanic Physics, 2023, 59(6),749–759.