Реферат — выбор масштаба моделирования ветровой эрозии почвы

Рубрики: Рефераты

Качественный анализ целостного явления ветровой эрозии, включающего отрыв, подъем, перенос и отложение частиц ветром, свидетельствует о его разномасштабности. Так, процесс отрыва частиц от поверхности имеет масштабы, сопоставимые с размером частиц (~ 10~5-10~3 м), в то время как перенос в атмосфере, в зависимости от их крупности и скорости ветра, может осуществляться на растояния, измеряемые и единицами сантиметров, и тысячами километров Это обстоятельство усложняет построение единой математической модели ветровой эрозии и вынуждает строить модели применительно к решению конкретных практических задач. В почвоведении и смежных прикладных областях основное внимание, как правило, уделяется моделям потерь почвы, основанным на исследовании процесса массообмена почвы с воздухом и обобщении опытных данных ( 22, 70, 107, 129, 202, 219, 240, 254, 272, 297). В физике атмосферы получили распространение глобальные модели переноса, основанные па тех или иных представлениях о диффузии частиц почвы в атмосфере (9, 10, 244, 255). При этом их можно отнести к моделям, развитым в рамках механики многофазных сред.

Принципиальное различие между указанными выше подходами сводится к выбору масштабов описания явления, который, таким обранім, приобретает особое значение. В этой связи начнем с анализа механики многофазных сред.

1. Размеры почвенных частиц газовзвеси во много раз больше размеров молекул. Это обстоятельство позволяет использован, классические представления и уравнения процессов однофазных срс/і п масштабах самих частиц, т. е. процессов вблизи отдельных частиц. При этом для описания поведения отдельной частицы в атмосфере можно использовать решения уравнений и эмпирические законы, полученные из опытов по обтеканию тел воздухом. Масштаб, сопоставимый с размером почвенной частицы (Ю-4 м) — это микромасштаб явления ветровой эрозии.

2. Размеры указанных почвенных частиц во много раз меньше расстояний, на которых усредненные параметры смеси меняются существенно. Это допущение предполагает, что выбранный физический объем достаточно велик по сравнению с частицами и содержит их в столь большом количестве, что почвенные частицы различных размеров можно рассматривать как сплошные континуумы. Вместе с тем, указанный объем должен быть достаточно мал по сравнению с масштабами явления (задачи), чтобы можно было считать его математической точкой. Выбранный таким образом масштаб является макромасштабом ветровой эрозии, позволяющим описать поведение смеси методами механики многофазных сред. Напомним, что такое описание связано с введением многоскоростного континуума и определением взаимопроникающего движения составляющих [132].

В основе механики гетерогенных смесей лежит гипотеза о справедливости законов механики применительно к каждому континууму. Поэтому для каждого из них можно записать балансовые соотношения массы, импульса и энергии в некотором физическом объеме W, Ограниченном поверхностью S. При этом учитываются взаимодействия г-го континуума не только с внешней (по отношению к выделенному объему) средой, но и с другими континуумами внутри самого объема. Исходя из указанных представлений выписываются уравнения 1-го континуума в отдельности и для смеси в целом [132], которые применимы к любой многофазной среде. Вместе с тем уравнения макропроцесса или явления приобретают содержательный смысл лишь после определения межфазного взаимодействия. Специфика ветровой эрозии состоит, однако, в том, что почвенная фаза, переносимая по воздуху и поэтому в своем движении целиком и полностью зависящая от него, сама не оказывает существенного влияния на его движение в целом, хотя может влиять на структуру потока [10]. Это связано с достаточно малой концентрацией почвы в воздухе при пыльных бурях [195, 292, 296, 300]. Кроме того, экспериментально установленное сосуществование в одном потоке и скачущих, и летящих частиц [19, 178, 219, 240] указывает на слабое взаимное влияние частиц разного размера (т. е. частиц из разных континуумов). В связи с этим при математическом моделировании явления принимаются последующие допущения, в дополнение к оговоренным в пунктах 1 и 2.

3. Поскольку размеры почвенной частицы вместе с областью взаимодействия ее с воздухом много меньше расстояний между соседними частицами, их взаимным влиянием при движении пренебрегают.

4. Пренебрегают энергией и другими эффектами хаотического
(в том числе и броуновского) движения частиц, а также процессами
дробления и образования новых частиц в атмосфере (при рассмотрении
абразии данные ограничения не нарушаются).

5. Пренебрегают также тепломассообменом частиц с воздухом
и влиянием всех частиц на параметры несущей фазы — воздуха.

6. Принимается, что воздух движется параллельно земной поверхности в условиях постоянных значений давления и температуры.
Поэтому плотность несущей фазы постоянна в соответствии с уравнением ее состояния:

7. Частицы почвы рассматриваются как твердые сферические тела различных радиусов. Представление почвенной частицы цилиндром, принятое в гл. 8 с целью упрощения и прозрачности решения при исследовании ударного взаимодействия частиц с почвой, особо оговаривается.

8. Движение плоское. Это допущение продиктовано тем, что пыльные бури, как крупномасштабные в географическом плане явления, развиваются преимущественно в области со слабо размытыми грани цами. Об этом свидетельствуют фотографии, сделанные со спутников (рис. 2.3.1 и 2.3.2.), а также изображения, полученные с помощью радара (рис. 5.4.4).

Введение в теорию ветровой эрозии мезомасштаба и принятые предположения позволяют свести задачу перемещения почвенных частиц и атмосфере к анализу движения сферического тела радиусом Гі, Плотностью РП В поле тяготения под действием сил со стороны воздуха.

Напомним, что при движении тела с переменной скоростью возникает эффект присоединенной массы, определяемый для сферического тела радиус. в несжимаемой среде [132] силой. Поскольку плотность частицы во много раз больше плотности воздуха, то в дальнейшем этим эффектом пренебрегают.

Метки: