Mechanism and large eddy simulation of dust devils

Abstract

Abstract Large Eddy Simulations (LES) of vertical convective vortices and dust devils in the terrestrial Convective Boundary Layer (CBL) are presented. A CBL‐scale simulation and a dust‐devil‐scale simulation are preformed at different resolutions. The CBL‐scale simulation is performed to study the generation of vertical vortices and the dust‐devil‐scale simulation is performed to study the detailed structures and stages of dust devil development. The simulation results show that dust devils undergo three stages of development as the swirl ratio increases: a weak vortex stage, a single‐celled vortex stage and a two‐celled vortex stage. The structure of a dust devil can be divided into four regions: outflow, core, corner and inflow layer. The different structures and characteristics of the modelled dust devil during various stages of development and the influence of the surface on the dust devil profile are described using some of the simulation results as illustrations. The causes of the different structures and characteristics are analysed through the interplay between the rotation, the radial pressure gradient, the buoyancy and the axial pressure gradient. Dust devils are a type of concentrated vortex similar to tornadoes. The differences in the structure and characteristics of tornadoes and the modelled dust devils are discussed in this paper. The carrying aloft of sand particles within the modelled dust devil is explored using a Lagrangian coordinate system. Sand particles can be transported by the updraft with particles of varying diameters follow different tracks. Résumé [traduit par la rédaction] On présente des simulations de grands tourbillons de turbulence (SGT) pour les tourbillons convectifs verticaux et les tourbillons de sable dans la couche limite de convection de la Terre (CLC). On fait une simulation à l'échelle de la CLC et une autre à l'échelle des tourbillons de sable à différentes résolutions. La simulation à l'échelle de la CLC vise à étudier la façon dont les tourbillons verticaux se forment et la simulation à l'échelle des tourbillons de sable vise à étudier les structures fines et les phases de formation des tourbillons de sable. Les résultats des simulations montrent que les tourbillons de sable passent par trois phases de formation au fur et à mesure que le rapport de tourbillon augmente : une phase de tourbillon faible, une phase de tourbillon à cellule unique et une phase de tourbillon à deux cellules. La structure d'un tourbillon de sable peut être décrite en quatre régions : un courant sortant, un cœur, un coin et une couche de courant entrant. On décrit les différentes structures et caractéristiques du tourbillon de sable modélisé durant diverses phases de formation ainsi que l'influence de la surface sur le profil du tourbillon de sable en se servant de certains résultats des simulations en guise d'illustrations. Les causes des différentes structures et caractéristiques sont analysées en fonction de l'influence réciproque de la rotation, du gradient de pression radial, de la force de flottabilité et du gradient de pression axial. Les tourbillons de sable sont un type de tourbillon concentré, comme le sont les tornades. Dans cet article, on discute des différences entre la structure et les caractéristiques des tornades et celles des tourbillons de sable modélisés. On examine le transport en altitude des particules de sable dans le tourbillon de sable modélisé à l'aide d'un système de coordonnées lagrangiennes. Les particules de sable peuvent être transportées par le courant ascendant, les particules de différents diamètres empruntant différentes trajectoires. Notes Corresponding author's e‐mail: [e-mail]