A structural subgrid-scale model for the collision-related statistics of inertial particles in large-eddy simulations of isotropic turbulent flows

In large-eddy simulations of particle-laden isotropic turbulent flows, the collision of inertial particles is strongly influenced by missing small-scale turbulence. In this paper, we apply the Kinematic Simulation with Approximate Deconvolution (KSAD) model to determine the contribution of small-scale turbulence to the motion of inertial particles and improve the prediction accuracy of the radial distribution function (RDF) and radial relative velocity (RRV), which are closely related to particle collisions. Different values of Stokes numbers (St), which are defined as the ratio of the particle response time to the Kolmogorov time scale, are considered. The KSAD model significantly improves the prediction accuracy of the RRV for all considered St. For the prediction of RDF, good agreement between the KSAD model and direct numerical simulations is only observed for large St, i.e., St >= 2.0. To explore the reason for the poor prediction of the KSAD model for small St, we compare the Eulerian statistics of the flow fields and the Lagrangian properties of the particles from different simulations and find the key reason is that the Gaussian turbulence generated in the kinematic simulation model is inadequate in recovering the vortex centrifugal effect of small-scale turbulence on the inertial particle clustering at small St. Published under license by AIP Publishing

塔里木河流域整治及生态环境保护

该成果研究了塔里木河干流水资源形成、消耗及变化趋势，水均衡和水分转化分析，水化学变化及水质评价。地下水分布、变化特征、地表水和地下水影响调查监测，建立了具有独创性的源流和干流耗水模型及干流水均衡和水转达化模型；分析了在人类活动影响下的生态环境演变规律和趋势及其影响；用生态脆弱性指标体系对流域生态环境现状进行了评价，根据水资源开发利用历史、现状及发展趋势进行了与生态环境演变关系及绿洲分布变化研究，提出沼泽化、盐渍化和沙漠化的警戒地下水位和理化指标；提出用潜水蒸发近似的估算天然植被需水的方法，编制出典型区土地利用、植被变化和土地沙漠化图，得出环境变化新的定量数据；建立了利用NOAA卫星监测土壤水分和洪水泛滥的方法和模型，计算了干流不同保护目标下源流需供水量，提出水资源管理对策及河道整治措施和生态环境保护途径，针对下游各段的不同情况应采取的不同保护措施。该成果对塔河流域规划、治理、生态环境保护、社会经济发展有着重要的应用价值。 成果类别： 应用技

塔里木河流域整治及生态环境保护

该成果研究了塔里木河干流水资源形成、消耗及变化趋势，水均衡和水分转化分析，水化学变化及水质评价。地下水分布、变化特征、地表水和地下水影响调查监测，建立了具有独创性的源流和干流耗水模型及干流水均衡和水转达化模型；分析了在人类活动影响下的生态环境演变规律和趋势及其影响；用生态脆弱性指标体系对流域生态环境现状进行了评价，根据水资源开发利用历史、现状及发展趋势进行了与生态环境演变关系及绿洲分布变化研究，提出沼泽化、盐渍化和沙漠化的警戒地下水位和理化指标；提出用潜水蒸发近似的估算天然植被需水的方法，编制出典型区土地利用、植被变化和土地沙漠化图，得出环境变化新的定量数据；建立了利用NOAA卫星监测土壤水分和洪水泛滥的方法和模型，计算了干流不同保护目标下源流需供水量，提出水资源管理对策及河道整治措施和生态环境保护途径，针对下游各段的不同情况应采取的不同保护措施。该成果对塔河流域规划、治理、生态环境保护、社会经济发展有着重要的应用价值

叶尔羌河平原绿洲四水转化关系研究

科学技术领域：本项目属于水文学及水资源学科领域。 主要内容：主要研究内陆干旱区的水文过程，重点是平原绿洲的水分转化规律与其定量关系，是干旱区水资源承载能力与合理配置的基础，目的是回答我国西部干旱区水资源开发、利用、配置、保护的重大科学问题，服务于与生态环境保护相协调的社会经济可持续发展的战略布署。研究以现场监测试验为基础、理论分析与模型研究为手段。主要内容包括：1) 绿洲四水转化的系统监测试验，包括气象、地表水、地下水、土壤水、洼地旱排等项监测，水面蒸发、潜水蒸发、作物灌溉、林木耗水等项试验。其系统性与规模在大型灌区中是无先例的。2) 绿洲四水转化分析。针对水分转化与水资源利用问题建立模型，进行模拟分析，取得了重大进展，包括绿洲水资源量及其可利用量，绿洲蒸发规律及定量结果，主要作物产量与耗水量的定量关系，树木耗水初步分析结果，绿洲总体水均衡与水分消耗、地下水均衡、农区-非农区水均衡及四水转化模型、盐均衡及旱排作用分析。 特点：1)开创了大型灌区水资源及其利用全面综合研究的先例。在试验研究方法与技术上有特点和创新；初次拟合了叶河灌区作物水分生产函数；提出了更好反映潜水蒸发随埋深变化关系的反Logistic公式；提出了裸地条件下潜水－土壤－大气连续体(GSAC)水分运移模型、作物生长条件下地下水－土壤－植物－大气连续体(GSPAC)水分迁移模型、林带－农田土壤饱和－非饱和流动模型，并进行了模拟分析。2)建立了绿洲水均衡与转化系列模型，包括总体水均衡、地下水均衡、农区－非农区水均衡及四水转化模型。其中农区－非农区水均衡模型是本成果的首创。 应用推广情况：已在新疆大型灌区节水改造规划、塔里木河流域综合治理规划等方面发挥了重要作用，对于内陆干旱区水资源配置、生态恢复与建设的研究与规划具有指导意义和参考应用价值

塔里木河下游应急输水与生态改善监测评估研究

2000年4月-2003年10月，水利部成功地组织了向塔里木河下游五次应急输水以改善日益恶化的塔里木河生态环境。该项目通过建立起较完善的地表水、地下水、土壤水及植被生态监测体系，对五次应急输水进行了系统的监测；通过对监测资料及遥感资料的分析，结合对输水河段和渗流区的现场勘察，全面评价了五次应急输水的水环境及植被生态响应特征与改善效果。该项目借助河流动力学、地下水动力学及恢复生态学等相关学科的理论，在深入分析河道输水条件下地表水与地下水的转化、地下水位恢复与植被响应、植被响应与最佳输水方案三者之间关系的基础上，采用与地下水埋深相结合的样地调查方法和植物生理指标、“枯枝比”指标及 “解析枝”分析方法，得到了地下水埋深与植被恢复等级的量化关系，提出了地下水埋深4m为下游区生态恢复的目标控制水位；通过河道间歇输水对河道入渗系数的影响关系，建立了塔里木河下游河道间歇输水一维水流演进与水量消耗的转化关系模型及可视化三维地下水流数值模拟模型，通过对四种可能输水方案的预测分析，推荐了合理的输水路线、输水流量与输水时间；提出合理输水方案应是线状与面状输水相结合的方案，除依靠河道耗水2.26亿 m外，还需结合生态闸堰分流约1.14亿m，人工漫溢扩大生态改善面积；在此基础上，根据五次输水的实践经验，结合运用大系统优化理论，确定了分河段水量合理配置方案及相应的配套工程与非工程保障措施。该成果在即将进行的塔河下游第六次输水方案制定、塔里木河流域生态环境保护、塔里木河下游水土保持生态修复工程初步设计及塔里木河下游大西海子以下河道疏浚工程初步设计等方面得到了直接运用。该项目研究在干旱区受损生态系统输水、恢复与重建的理论体系与资源环境管理模式方面取得的重要创新，不但可为塔里木河流域综合治理提供强有力的技术支撑，并可为中国其他类似生态环境区域的保护提供理论和实践模式，在干旱区生态环境整治和荒漠化防治方面具有重要的应用价值和广阔的应用前景。该成果总体上达到国际先进水平

干旱区绿洲散耗型水文模型及其在塔里木河流域的应用

该项目主要内容包括干旱区绿洲水文过程特点的分析：分析了干旱区水文气象特点、土地利用特点以及水量引用、输送（散流）、转化、消耗等水文过程；绿洲散耗性水文模型的建立：在散耗型流域概念基础上，构建了绿洲散耗性水文模型的理论体系和实现框架，提出并建立了干旱区绿洲散耗性水文模型；模型的应用与分析：利用所建立的散耗型水文模型，对喀什、阿克苏、巴州、克州与和田等绿洲的水文循环过程进行了模拟，分析了现状条件下绿洲内水分运动、转化、消耗、利用的规律，结合绿洲水土资源管理规划、重大建设工程的立项与地下水开发利用等问题进行情景分析的模型模拟。 成果类别： 应用技