风沙电多场耦合中沙粒跃移运动的受力分析

基于风沙电多场耦合跃移运动的理论模型,通过对稳定风沙运动的数值模拟,将沙粒在运动过程中所受各种作用力,如空气阻力、Magnus力、Saffman力、静电力与重力进行了对比研究,讨论了沙粒所受各种作用力随摩阻风速、沙粒粒径、沙粒初始旋转角速度和初始起跳速度的变化规律．     

风沙运动的力学机理研究

风沙运动机理研究是认识土壤风蚀、沙尘天气(甚至沙尘暴)以及风沙灾害本质,进而实现有效防治的基础。其中所涉及的诸如多尺度、多场耦合、随机性、非线性、尺度效应和复杂系统等科学问题也是当今科学前沿所关注的共性和热点课题。本文在简要回顾与风沙运动力学机理研究相关的已有工作的基础上,重点介绍了兰州大学风沙环境力学研究组针对风沙流中的沙粒带电量和风沙电场的基本规律及其对风沙流和无线电通讯的影响、风沙流发展过程的理论预测、固沙结构有效尺寸的分析、风成地貌主要特征的计算机模拟等方面所开展的研究工作。     

风-沙-电多场耦合模型及其对风沙流结构的影响

基于点电荷电场的基本理论,建立了风场-沙粒运动-风沙电场(风-沙-电)相互作用的多场耦合理论模型,给出了风沙电场沿高度的分布规律,即:风沙电场在近地层一般为正电场,电场强度随高度的增加而迅速下降;在10～20 cm附近风沙电场由正电场变为负电场;随后,风沙电场强度的绝对值随高度的增加由小变大,在达到某一极值后,电场强度的绝对值随高度减小,最后趋于晴天电场.此外,还研究了风沙电的多场耦合作用及风沙电场强度对风沙流结构的影响.     

风沙流中基于宏观颗粒模型的沙粒浓度分布

风沙侵蚀是造成土地沙化和干旱区地貌的主要原因,其中沙粒的浓度分布是研究输沙量、颗粒碰撞、风沙流结构等特征的主要影响因素,也是了解颗粒碰撞过程和风沙两相流耦合过程的重要研究内容。为了考虑沙粒与气流的力平衡、阻力和扭矩的变化、碰撞及摩擦等影响,运用了一种新的宏观颗粒模型(macroscopic particle model, MPM)研究沙粒在气流中的运动。与前人研究结果进行比较后发现,宏观颗粒模型在不需要任何附加模型的前提下,能实现风沙两相耦合的准直接数值模拟,根据沙粒运动速度云图所示的风沙流运动状态的不同,沙粒浓度的垂向分布会出现结论不一致的现象。颗粒流系统的内在非线性是造成风沙流运动状态不均匀、不一致的主要因素。数值模拟结果表明,利用MPM模型中的离散颗粒追踪、颗粒速度和位置等信息能够研究多相流条件下的风沙运动机理。     

风沙运动中的若干力学问题研究

风沙运动机理研究是认识风沙灾害本质进而实现有效防治的基础，所涉及的诸如多尺度、多场耦合、随机性、非线性、尺度效应和复杂系统等科学问题也是科学前沿所关注的共性和热点课题。近年来兰州大学风沙环境力学研究组从力学和地学的学科交叉角度，通过风洞实验、理论建模和计算机模拟研究，揭示了风沙流中沙粒带电量和风沙电场的基本规律及其对风沙流和无线电通讯的影响，实现了对考虑多物理场耦合作用的风沙流发展过程的理论预测以及对风成沙波纹主要特征的计算机模拟，取得一些具有原创性的实质进展。     

沙粒的跃移与悬移

通过考虑沙粒在大气边界层中的湍流随机运动,分析了影响沙粒运动轨迹的各种因素．由于存在湍流脉动速度,因此在相同粒径、起跳初速度和摩阻风速情况下,沙粒运动轨迹会出现较大差异．沙粒的垂直波动速度可以作为一个反映其运动性质的参数,不仅与粒径、起跳初速度,而且与摩阻风速有关．利用其作为判断沙粒运动形式的判据,计算了给定沙粒粒径和摩阻风速条件下沙粒进入跃移和悬移的临界起跳初速度及相应运动形式的组分,并与考虑风沙耦合作用与不考虑风沙耦合作用的轨迹统计结果进行了比较．     

稳态风场下的沙粒运动规律

风沙运动是风沙地貌以及土壤侵蚀的主要原因,跃移运动是风沙运动的主要形式,跃移沙粒占整个运动沙粒的75%左右,这一运动不仅是沙量传输的主要运动形式,也是造成沙质地表风蚀和风沙灾害的根本原因.通过数值模拟的方式研究了当风沙运动达到稳定状态时的风沙流运动特征,详细讨论了稳态情况下沙粒的跃移运动规律,以期对防沙治沙工作能起到一定的指引.研究结果表明:在不同的初始风速条件下,当风沙运动达到稳定状态时在高度小于10倍的沙粒直径处的风速基本相同,这是由于地表风场被运动沙粒强烈修正,有效粗糙度随着摩阻风速的增加而增加;同时在给定的风场风速下,跃移轨迹和碰撞速度并不是无限增大的,而是存在最大的跃移轨迹和最大的碰撞速度,并且最大碰撞速度以及最大跃移轨迹的高度和长度与摩阻速度成线性关系.     

相似模拟实验材料的流固耦合参数测试

为了研究连续介质的流固耦合作用,在推导岩体力学和流体力学相似条件的基础上,确定了流固耦合相似模拟的准则,研制的以石蜡为胶凝剂的流固相似模拟实验材料,其耦合参数与原型相似,性质满足流固耦合相似模拟实验要求。通过神府矿区某矿1-2煤层开采的流固耦合相似模拟实验,研究结果表明:模拟所得出的采煤工作面上覆岩层的运动破坏及裂隙演化规律与现场一致,潜水渗流规律和其它参数也与原型相似。证明了实验材料的选取正确和耦合参数的确定合理。     

岩土介质渗流场与应力场耦合理论的研究进展

综述了岩土介质渗流应力耦合理论研究的现状与进展,从多孔介质与裂隙介质的渗流应力耦合理论出发,阐述了单裂隙面的水流运动规律和耦合特性的研究方法,对裂隙网络耦合理论中几个具有代表意义的渗流模型作了较详细的描述和比较,初步介绍了表征各向异性岩土体耦合特性的渗透张量的确定方法,最后就岩土介质渗流场与应力场耦合理论的发展趋势提出自己的看法.     

热-流-固耦合非饱和渗流的物理描述和数学模型

研究了热-流-固耦合非饱和渗流的物理和数学模型.其中非饱和渗流部分考虑到水的蒸发-凝结这种相变过程,这是气液两相渗流.液相中含有溶解的空气,气相中含有空气和水蒸气,蒸汽在空气中作扩散运动.基于线化的湿-热弹性理论,建立了热-流-固耦合的本构方程、水和气体的渗流微分方程,以及能量方程.该完整的方程组可很容易推广到热-流-固耦合油-气-水多相渗流情形.     

基于欧拉双流体模型的风沙运动模拟

针对风沙运动的复杂性,基于N-S方程和标准k-ε湍流模型,利用CFD商业软件Fluent 6.3中的欧拉双流体模型,数值模拟了在不同摩阻风速、不同颗粒粒径下风沙流场随时间的变化情况,给出了风沙流达到稳定状态时所需的时间和给定空间位置上沙粒相体积分数的分布曲线.模拟的主要结果与已有的文献报道相一致,从而说明该模型可以用于风沙颗粒流体体系的动力学特性研究.     

风沙物理学进展及其在沙漠化防治中的应用

 沙漠化因严重阻碍和威胁人类生存与社会可持续发展而受到世界各国高度重视。沙尘颗粒物受气流作用在地表和空中的运动是沙漠化过程发生、发展的主要表现形式,也是沙漠科学和治沙工程的核心研究内容之一,只有掌握了风、地表及沙尘颗粒物之间的互馈机制,才能科学分析土地沙漠化过程并建立有效的风沙灾害防治工程。本文回顾了风沙物理学研究的发展历程,综述了近30年以来风沙环境力学在风场结构、沙尘颗粒的起动机制、沙尘颗粒的碰撞机制、近地表风沙流的理论模型与实验观测、风成沙波纹与沙丘地貌研究以及风沙环境力学研究在沙漠化防治中的应用等方面取得的进展,并对未来研究方向提出了展望。     

风沙流/沙尘暴与高雷诺数壁湍流野外观测

 风沙流与沙尘暴是发生在高雷诺数大气边界层中的气固两相流,对风沙流与沙尘暴的深入认识、准确预报和科学防治都要基于对风沙运动规律的认知和把握,因而需要借鉴高雷诺数湍流的研究成果。本文综述了高雷诺数壁湍流和风沙流/沙尘暴研究的现状,着重介绍了在中国民勤地区建立的沙尘暴与高雷诺数壁湍流野外观测站,以及基于观测站的观测列阵所获得的初步成果,展望了进一步的发展方向。     

高速轿车二维风沙流边界层数学模型

基于普朗特的边界层思想,以不可简化成稀相的风沙流体为研究对象,以风沙流的一般方程为基础,在基本假设的条件下,建立了高速轿车车身顶部过流表面的边界层微分方程并给出沙流在近壁表面以滑移为特征的边界条件。又考虑到固体颗粒对边界层的扰动作用,引入了扰动因子。通过对边界层厚度的积分并利用相关条件,得到了边界层动量积分方程。     

A laboratory test of the electrification phenomenon in wind-blown sand flux

The measured data in the wind-tunnel tests show that the wind-blown sand particles acquired a negative charge when their diameters are smaller than 250 μm and positive charge when their diameters are larger than 500 μm, which confirms Latham’s assumption that the large particles in wind-blown sand flux acquired positive charge while negative charge developed on small ones. In the meanwhile, the measured data also show that the average charge-to-mass ratio for wind-blown sand particles decreases with the increase of the particle diameter and the wind velocity, and increases with the rise of height. The electric field in wind-blown sand flux is mainly formed by the moving charged sand particles. Its direction is vertical to the Earth’s surface and upward, which is opposite to that of the fair-weather field. The electric field increases with wind velocity and height increasing. These experimental results will lay the foundation for developing the theoretical analysis of the electrification phenomenon in wind-blown sand flux.     

高速轿车二维风沙流边界层方程的解

对于高速轿车风沙流边界层动量积分，在确定的边界条件的控制下，采用四次多项式结构来近似边界层内的速度分布，获得含有固相对边界层扰动因素的形状因子。通过对动量积分的相关变换和对因子函数的讨论及其对曲线的分析，在引用了边界层厚度系数的条件下,得到风沙流边界层方程的解的表达式并给出其边界层计算的有限次逼近算法。通过对边界层方程的解的分析，确定了解的存在性和唯一性。     

Impact of slip boundary on sloshing motions in partially filled containers

Sloshing is a kind of fluid motion inside partially filled containers. In spacecraft and other partially filled moving containers, sloshing plays an important role. The contact line between the fluid and solid boundary affects the fluid movement and sloshing during motion. A physical model for steady fluid flow with a partial slip boundary is presented and equations for this model are derived for cylindrical (tube-shaped) tanks. This gives a nonlinear system of differential equations that is solved numerically by using a Successive Over-Relaxation (SOR) technique and graphical results are shown. Variations in steady fluid flow are observed with changes in the slip length and some useful results are derived. The effects on the microscopic radius of the fluid layer in a capillary tube are also shown through graphical results.     

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。     

BEM Analysis of Wave Propagation in a Water-Filled Borehole in an Anisotropic Solid

This paper describes a time-domain boundary element method developed to analyze the interactions of acoustic and elastic waves near the interfaces between water and an anisotropic elastic solid. Two models are analyzed with one being the interface between two half spaces of fluid and solid and the other being a fluid region sandwiched by half space domains of anisotropic elastic solids. Both monopole and dipole point sources are used to generate an initial pressure wave in the fluid. Some snapshots of the transient wave behavior near the fluid-solid interfaces are given. The effect of the anisotropy in the solid on the pressure waveforms in the fluid is discussed. The numerical results allow detailed arrival identification and interpretation of acoustic and elastic waves propagating along the fluid-solid interfaces.