基于泥沙随机交换过程及不同推移形式的推移质输沙公式

针对推移质输沙率公式难以兼顾高、低输沙强度计算的不足，提出结构上考虑推移质泥沙滑移及跃移特征的输沙率计算公式.基于无后效Markov随机理论，通过改进泥沙状态转化概率矩阵，优化了泥沙随机交换过程的描述.综合考虑床面遮蔽、水流脉动特征及床面泥沙运动特征的影响，从理论受力分析及概率统计角度，确定了床面推移质泥沙数量.通过引入推移质泥沙滑动、跃移平均运动速度，建立基于泥沙随机交换过程及不同推移形式的推移质输沙公式.最终计算结果与不同输沙强度下的试验及现场实测结果吻合较好，表明公式能兼顾高、低推移质输沙强度的计算，可应用于工程分析.     

近床面风沙流的颗粒拟流体大涡模拟分析

通过气相大涡模拟与基于颗粒动理学理论的颗粒相湍流拟流体模型进行耦合,对近床面风沙气固两相三维运动进行了数值计算。相同来流风速下,对跃移层内沙相速度、沙相浓度及沙粒脉动均方根速度沿近床面高度变化进行了统计分析,对比了模拟参数结果与相关实验值之间的差异。结果表明:所建计算模型能较好地揭示近床面风沙流特性,低沙相浓度运动模拟中2种曵力系数模型计算得到的各个宏观参数统计量趋于一致;跃移层内沙相平均流向速度随近床面高度的增加呈递增趋势,沙相浓度随近床面高度的增加呈递减趋势,沙相流向脉动均方根速度在跃移底层呈现单一峰值状。模拟结果获得了与相关实验结论相类似的变化规律,得出准确选取沙粒碰撞弹性恢复系数是准确揭示沙相速度脉动强弱的关键。     

泥沙颗粒跃移运动机理

水流中泥沙颗粒的跳跃运动是推移质运动的重要形式,根据泥沙颗粒运动过程的受力分析,建立了忽略颗粒旋转和紊动影响的泥沙颗粒跃移运动模型,并采用数值计算方法,求解了跃移运动方程,得到了跃移运动参数（跃移长度、跃移高度、跃移速度）的统计特性,所得结论与实验资料吻合较好;通过对数值计算结果回归分析,得到了跃移运动参数以及输沙率的数学表达式,对于了解推移质运动机理有重要的意义．     

空中碰撞对风沙跃移运动的影响

针对目前描述风沙跃移运动的理论模型均未考虑跃移沙粒在空中所发生的碰撞对输沙率影响的问题,通过硬球碰撞模型给出一计算跃移沙粒在空中发生碰撞时其速度的表达式,并通过考虑风场-沙粒间的相互耦合作用和跃移沙粒在空中发生碰撞的概率,计算出跃移沙粒在空中发生碰撞时的单位面积输沙率和单宽输沙率,并给出其变化规律.结果表明：考虑跃移沙粒空中发生碰撞时的单位面积输沙率和单宽输沙率都比不考虑空中碰撞时的小,且更接近实验值;不考虑空中碰撞与考虑空中碰撞时的单位面积输沙率之差随着轴线风速的增大而增大,随着高度的增加先增大后减小,呈现＂分层结构＂。     

推移质低输沙率

针对泥沙运动统计理论建立的推移质低输沙率公式进行了系统的描述,讨论了以拖曳力和平均流速为主要参数的两类推移质输沙率公式.指出了两类公式存在的问题.在揭示推移质输沙机理的基础上,提出影响输沙率大小的主要因素是泥沙输移的强度效应和速度效应.尽管各类输沙率公式都可以归结为这两个因素的共同作用,但只有考虑泥沙运动的随机因素才能正确概括泥沙起动时的低输沙率过程,才能明确起动时低输沙率的物理机理.     

沙粒斜碰的动力特性分析

利用动力学中的碰撞理论，根据沙粒斜碰的简化模型，得到了跃移沙粒与床面上的单个蠕移沙粒碰撞后两碰撞沙粒的速度与角速度的解析表达式。床面沙粒能否被激发离开床面主要与入射沙粒的入射速度的方向、两碰撞沙粒接触的方位角以及床面上沙粒的蠕移速度相关联。即：蠕移速度越大，其沙粒越容易被激发离开床面。对两沙粒碰撞起跳后的跃移运动轨迹给出了定量模拟。     

平衡输沙条件下非均匀推移质运动特性

考虑床沙特性以及颗粒暴露度对非均匀沙运动的影响,根据滚动平衡关系,提出了非均匀沙起动流速公式,利用实测资料分析了附加阻力系数的特点,并得到其数学表达式.通过对非均匀泥沙颗粒运动方程的分析,导出了非均匀沙临界起动希尔兹参数的数学表达式,从而从理论上解释了非均匀沙颗粒与均匀沙起动的不同之处(粗颗粒较同等粒径均匀沙容易起动,细颗粒则与之相反).分析了非均匀沙颗粒随水流运动的特点,指出非均匀沙颗粒运动与其所处的床面条件具有直接的关系,床面条件不同,运动也将呈现不同的特点.最后建立了平衡输沙条件下非均匀推移质分组输沙率公式,公式的计算值与实测资料吻合较好,并且能够用来计算均匀沙推移质输沙率,具有广泛的通用性.     

跃移雪颗粒运动特性的数值模拟研究

运用拉格朗日方法,根据雪颗粒的运动机理,对单个跃移颗粒运行轨迹进行了数值计算.同时,结合颗粒的受力特征,对影响其运动的一些参数,如粒子直径、摩擦速度和颗粒密度等进行了分析.结果表明,随着雪颗粒直径或雪粒密度的增大,粒子竖向受力与重力之比减小,粒子的跃移高度则随之增大;而当粒子起跳速度不同时,水平方向受力与重力之比的变化规律也表现不同,进而影响其水平方向的跃移长度.基于经验公式,建立了雪面侵蚀质量通量与跃移粒子数目之间的关系,计算了雪颗粒质量传输率,并与经典文献的计算方法进行了比较.结果显示,随着雪颗粒直径和摩擦速度的增大,粒子质量传输率随之增大;随着阈值摩擦速度增大,粒子质量传输率随之减小.所得计算结果与Iversen经验公式吻合较好.     

沙粒跃移击溅函数的高速数字摄像研究

采用高速CMOS数字相机拍摄的方法记录沙粒与床面的碰撞过程,通过分段图像叠加的算法对获得的实验图像进行处理,提取出沙粒运动时序位置,并计算其入射以及反射的速度和角度.通过统计分析得出跃移沙粒与沙床碰撞过程中的控制参数--碰撞平面角、速度和能量恢复系数的分布,都近似满足正态分布.实验结果表明,沙粒与沙床碰撞过程中损失的动能超过总能量的一半,且由于碰撞平面角大于0°的比例达到70%,即使沙粒在碰撞过程中能量有所损失,沙粒与沙床碰撞后垂直分速度增加的现象仍比较普遍,使得沙粒在与气流相互作用的过程中获取更多的能量,从而为沙粒的持续跃移提供了保证.     

带电沙粒的跃移云数值模型

给出吹过无限大平坦沙面的稳定风场中风、跃移沙粒及静电力相互耦合的方程 ,并用简化的沙粒——床面碰撞模型求解了方程 .计算结果表明静电力对沙粒跃移轨道及贴地风速有强烈影响 ,当跃移沙粒的带电量为 - 6 0 μC/ kg时 ,计算所得的跃移层中风速沿高程分布与实验结果相吻合     

风吹雪跃移运动的稳态数值模型

给出了定常充分发展流场中风、雪粒相互耦合的运动方程 ,并用简化的雪粒 床面碰撞过程求解了方程 .计算结果表明 ,跃移雪粒对贴地风速有重要影响 ,Magnus效应对贴地风速、雪粒跃移轨迹也有显著影响     

考虑颗粒群阻力效应的跃移运动

考虑到风沙流中颗粒群阻力效应,采用修正后的单球模型阻力系数公式,计算了跃移运动达到稳定状态时的风速廓线、输沙量、沙粒相体积分数.结果表明:当跃移达到稳定状态时,考虑颗粒群阻力效应对阻力系数修正时计算所得的输沙量、沙粒相体积分数均大于不修正时的相应值.当摩阻风速增大时,输沙量及颗粒相体积分数也会随之增大,而以相同速度起跳的颗粒跃移长度随之增大,高度有所降低.     

卵砾石河流推移质输沙率的模拟计算方法

根据山区和丘陵地区卵砾石河流的情况,提出对梅叶－彼得推移质输沙公式进行修正,使用式（８）的泥沙起动切应力公式,在分析的基础上提出粗细泥沙颗粒的隐曝系数公式和考虑水流床面切应力随机分布的计算方法,用以估计这类河流的推移质输沙率．经长江上水文站的实测资料检验与河道泥沙数模的应用,能满足工程计算的需要,取得较好效果,可作为这类河流中计算推移质输沙率的参考．     

风沙跃移中颗粒冲击起动的数值模拟

采用考虑颗粒碰撞的Euler-Lagrange数值模拟方法,对风沙跃移中颗粒冲击起动过程进行了数值计算.在模型中,把气相视为连续介质,在Euler坐标中建立控制方程,对离散颗粒采用Lagrange方法模拟,颗粒间的相互碰撞作用采用软球模型描述.计算结果表明该模型可以模拟出风沙运动中颗粒冲击床面的动态起跳过程,并且与均匀平整床面相比,在非均匀床面上的颗粒更易碰撞起跳,也更具有随机性.这进一步揭示了风沙运动中颗粒碰撞起跳机理.     

动床沙粒阻力与底沙输移

本文在输沙实验的基础上,从研究水流结构着手,分析了水流和泥沙之间的相互作用关系,讨论了动床沙粒阻力和底沙输移规律.结果表明,动床沙粒阻力与输沙有关.本文还导得动平床情况下的流速分布公式、阻力公式和输沙率公式,使动床的水流运动和输沙过程得以联解.通过295组水槽实测资料详尽的验证,证明本文结果与实测资料是一致的.     

最大沙粒堆积率对风沙流结构的影响

采用欧拉双流体模型,利用数值方法研究了最大沙粒堆积率对风沙流结构的影响。结果表明：随着最大沙粒堆积率的增大,沙粒速度和风速在跃移层内都有明显增大,而沙粒体积分数在近床面却有所减小,但离开床面一定高度后,沙粒体积分数几乎不受最大沙粒堆积率的影响。     

风速及碰撞恢复系数对风沙流输沙率沿流向变化规律的影响

利用数值方法模拟研究了双流体模型中风速和碰撞恢复系数对风沙运动的影响。结果表明：在相同风速下,沙粒粒径越大其输沙率饱和值越大,饱和距离越长;在相同粒径下,风速越大其输沙率饱和值越大,饱和距离越大。当碰撞恢复系数不同时,输沙率沿流向的变化趋势相同,碰撞恢复系数越大,输沙率饱和距离越短;碰撞恢复系数相同时,粒径越大,风沙流输沙率饱和距离越长。     

风速及碰撞系数对风沙流输沙率沿流向变化规律的影响

利用数值方法模拟研究了双流体模型中风速和碰撞恢复系数对风沙运动的影响。结果表明:在相同风速下,沙粒粒径越大,其输沙率饱和值越大,饱和距离越长;在相同粒径下,风速越大其输沙率饱和值越大,饱和距离越大。当碰撞恢复系数不同时,输沙率沿流向的变化趋势相同,碰撞恢复系数越大,输沙率饱和距离越短;碰撞恢复系数相同时,粒径越大,风沙流输沙率饱和距离越长。     

平衡输沙条件下推移质级配

在考虑床面泥沙颗粒起动概率的基础上,提出了平衡输沙时确定推移质最大粒径的方法及计算公式.从理论上分析得到了泥沙颗粒起动无量纲临界切应力参数Θ的最小值,对个别及少量起动分别为0.020和0.030,由此可计算出推移质最大粒径d c,max .同时提出了计算推移质级配的方法及公式,该公式仅与床沙平均粒径d m ,床沙粒配百分数p 0i ,推移质最大粒径d c,max 及其所对应床沙级配的组数m有关.验证结果表明,计算结果与实测资料符合较好.     

风沙跃移运动中的Magnus效应

给出了计及Magnus效应的风一沙耦合跃移运动模型,计算了当风沙流达到自平衡状态后Magnus效应对贴地风速廓线、沙粒跃移轨迹的影响,指出在Msagnus效应影响下,沙粒跃移运动对风速廓线的影响类似于粗糙床面对沙粒跃移的影响,其粗糙度约为沙粒跃移高度的0．8倍。