混合粒径风沙流情况下的一种沙粒起跃速度概率密度函数

基于离散单元法,在生成按腾格里沙漠自然沙粒径分布的模拟沙床后,模拟了以具有相应粒径分布的实际风沙流的冲击速度冲击沙床面的粒一床碰撞过程,得到了沙粒起跃的水平和垂向速度及其合速度以及沙粒旋转的初始角速度．经统计分析,给出了风沙流中混合粒径沙粒起跃的水平和垂向速度及其合速度以及沙粒旋转的初始角速度的一种概率密度函数．     

风成沙波纹的离散粒子追踪法模拟

基于所提出的离散粒子追踪法对风成沙波纹的发展过程实现了计算机模拟. 与现有模拟沙波纹的方法不同的是, 该方法同时考虑了与真实沙波纹形成相关的3个主要因素, 即不同粒径的众多沙粒在沙床上方所形成的风沙流、风沙流中沙粒对沙床的碰撞以及碰撞后沙粒的反弹或溅起、沙粒在床面上方的跃移和在床面的蠕移. 由该方法能够成功模拟出与真实沙波纹基本一致的形成过程、几何形状和特征、分层迭片结构和移动速度以及沙波纹出现和消失的临界摩阻风速.     

欧拉颗粒流模型下的近床面风沙跃移速度分布特征

风沙运动中沙粒速度是风沙物理学研究的重要内容,为反映风沙流运动中沙粒相浓度变化及沙粒的速度分布,从多相流的角度出发,运用二维欧拉颗粒两相流模型对风沙的流动过程进行模拟.通过对比实验中沙粒的体积浓度随高度的变化,验证了模型的准确性,并在此基础上对沙相的运动信息进行统计分析,得到近床面风沙流的沙相速度分布.统计结果表明:在风沙跃移过程中,沙粒体积分数随高度的变化呈指数衰减,并在近地面附近出现浓度饱和层,饱和层沙粒体积分数的数量级为10-7,且在饱和层上方浓度衰减加快.通过对体积分数大于等于10-7的沙粒速度信息进行统计,得到不同时刻沙相速度分布,并给出相应的速度分布概率密度函数.     

风沙流中沙粒速度分布的实验研究

采用相位多普勒粒子分析仪（phase Doppler particle analyzer,PDPA）测量了风沙两相流动中沙床面上沙粒碰撞和起跳速度概率分布以及不同高度处沙粒速度概率分布．结果表明,沙床面上沙粒碰撞和起跳速度概率分布均可用对数正态分布函数描述,碰撞和起跳角度均可用指数分布函数描述．沙粒平均碰撞角度为28°-39°,平均起跳角度为30°～44°,平均起跳速度为平均碰撞速度的0．81～0．9倍,向后碰撞沙粒占总碰撞沙粒的比例为0．05～0．11,向后起跳沙粒占总起跳沙粒的比例为0．04—0．13．沙粒水平速度概率分布在4mm高度处表现为正偏斜类型,在20mm高度处沙粒水平速度的变化范围更加广泛,在80mm高度处沙粒水平速度变化范围小于20mm高度处的变化范围．沙粒垂直速度概率分布在不同高度处均可表示为正态分布函数．     

黄土塬坡降雨击溅产沙过程的数学模拟

根据在黄土塬坡上进行的野外大型人工降雨径流产沙试验的观测资料,分析并建立了坡面上雨滴击溅产沙模型。给出了实际降雨过程的雨滴动能计算的理论公式。给出了考虑击溅产沙能力受坡面漫流或其它覆盖物影响下的击溅产沙过程的模拟结果。通过对试验现象和结果的结合,描述了雨滴动能对坡面水流及坡面土壤的作用。     

风沙流中沙粒冲击速度的分布函数

根据风沙流通量和速度随高度的变化推导出了风沙流中沙粒冲击速度的分布函数,与以往建立的风沙流中起跃沙粒垂直初速度的分布函数稍有不同。用最新引进的粒子动态分析仪对53000多个沙粒冲击速度的风洞验证结果表明,所建立的冲击速度的分布函数与风洞实验结果吻合得相当好,80％以上的拟合相关系数大于0.95。     

沙粒粒径对TC4钛合金冲击界面损伤行为的影响

在新型冲击磨损试验机上考察了沙粒粒径(120~380μm)对TC4钛合金冲击损伤行为的影响,研究了不同沙粒环境下TC4钛合金的冲击磨损机制及其界面响应.结果表明:沙粒对TC4钛合金的冲击磨损行为影响显著,TC4钛合金在冲击过程中会出现沙粒破碎并堆积在钛合金表面,使其磨损表面明显增高;随着砂粒粒径不断增大,冲击力峰值显著减小,冲击接触时间变长,界面能量吸收率明显提高,磨损面积明显增大;随着冲击次数增加,冲击力峰值下降,界面能量吸收率提高,磨损表面的材料堆积体积逐渐增大.在沙粒的冲击作用下,TC4合金的冲击磨损机制主要表现为沙粒对材料的切削和磨屑在界面的堆积.     

沙粒粗糙度和粒径分布的分形特性

提出了一种度量沙粒粗糙度和沙粒粒径分布的分形维数的计算方法,用分规法和周长面积法度量沙粒平面剖面线的不规则性,用Ｗｅｉｂｕｌｌ分布模型分析研究沙粒粒径分布的规律。结果表明：沙粒的表面粗糙度越大,其分形维数越大;沙粒组成中的细沙越多,其分形维数越大。同时表明分形几何可用于不规则图形和破碎模型的定量研究。     

三维风沙运动的CFD-DEM数值模拟

采用计算流体力学（Computational Fluid Dynamics,CFD）和颗粒离散元（Discrete Element Method,DEM）耦合的方法模拟三维风沙运动,并且将三维模拟结果和二维模拟结果以及实验结果进行了对比.计算结果表明：沙粒水平速度随着高度按幂函数规律增加,沙床表面附近沙粒撞击和起跳速度的概率分布均可用对数正态函数描述,沙粒撞击和起跳角度的概率分布均可用指数函数描述,沙粒水平速度、展向速度和垂直速度在不同高度处的概率分布可分别用对数正态分布、正态分布和正态分布表示.与二维计算结果的分析对比表明：二维计算得到的颗粒速度的分布规律和三维计算结果类似,但二维计算的颗粒表观密度明显偏大,由此导致输沙量计算偏大.和实验结果的对比表明：三维计算得到的颗粒速度概率分布与实验基本保持一致.     

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．     

二维楔形体入水砰击仿真研究

基于数值仿真的方法对二维刚性楔形体的入水砰击问题进行了研究.建立了包含气水流场的二维有限元模型,考虑空气、重力等因素在砰击过程中的影响,研究了流场的自由液面、压力和速度等物理量的变化情况.对不同入水角的楔形体入水的砰击压力峰值系数进行了计算,分析压力峰值的变化规律.结果表明,楔形体入水砰击压力峰值系数不仅与入水角度有关,而且与入水速度也有很大的关系.     

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．     

风沙流对列车车窗玻璃破坏能力的试验测试

基于新疆铁路风区是全世界铁路内陆大风风速最高、风灾最严重的地区之一,加之以铁路沿线沙粒粗大的砾漠地貌,形成的风沙流使车窗玻璃破损情况严重,是影响列车大风期间行车安全的重要问题之一,通过试验手段将风载荷和沙粒冲击单独作用到车窗玻璃上,最后将这2种载荷耦合加载,对造成列车车窗玻璃破碎的主要原因进行试验分析。研究结果表明:车窗玻璃能承受的瞬态风压和稳态风压分别为69.38 kPa和29.50 kPa,各粒径等级沙粒能够击碎车窗玻璃的速度与粒径呈幂函数关系,幂约为-0.71;当风沙耦合作用时,车窗玻璃所承受的4 kPa环境风压使沙粒击碎玻璃的速度减小6%~7%,最终确定致使车窗玻璃破碎的主要原因是沙粒冲击而非风压载荷,且在风区恶劣风环境下,危险的粒径范围为5~6 mm。本研究对制定有效的风沙防护改进措施、形成保障车窗玻璃安全的行车指挥方案具有一定意义。     

混合颗粒点源扩散风洞试验研究

针对沙尘的扩散问题开展了沙粒点源扩散风洞实验,结果显示沙粒经点源扩散后质量沿高度的分布服从高斯分布,这与已有点源扩散研究结果一致.随着风速的变化,沙粒垂向扩散的中心高度随风速的平方呈反比,均方差随风速呈反比;随着与点源距离的增加,中心高度呈线性减小,均方差呈线性增加.同时,根据实验结果给出了点源扩散分布质量沿高度分布的中心高度和均方差随风速、粒径和扩散距离的表征方程.此外,分析结果还表明混合沙粒扩散后不同高度处的平均粒径随高度呈线性递减,这与已有的野外沙尘暴期间的粉尘粒径观测结果是一致的.     

深水基槽开挖中水下重锤破岩规律研究

基于深中通道水下沉管隧道基槽凿岩工程,采用数值模拟方法研究了重锤凿岩棒受力状态和凿岩棒下落过程的速度变化规律以及凿岩棒凿击岩石的损伤发育特征,分析了不同水深、不同冲击速度、不同凿击次数对岩石破坏和损伤的影响规律。结果表明:凿岩棒下落过程中速度先线性增加然后增加幅度逐渐降低,最终趋于稳定的收尾速度;在凿岩棒凿击岩石过程中,其速度不断下降并伴随着岩石损伤的累积;水深与岩石的损伤呈负相关关系,而冲击速度和凿击次数与岩石的损伤呈正相关关系。     

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.     

沙粒图像中沙粒粒径的检测与识别

基于小波变换和图像分析理论检测和识别沙粒的平均粒径,使研究风沙运动中沙粒的粒径分布规律成为可能.首先通过小波变换对静态的沙粒照片进行消噪和增强对比度,使之成为可以由Otsu方法和灰度直方图峰值法进行阈值化处理的灰度图像.再将经过以上两种阈值方法处理得到的二值化图像利用八邻域边界跟踪的连通域标号算法对其进行逐行逐列扫描和搜索来确定并提取目标的颗粒数,最终实现对沙粒平均粒径的检测和识别.结果表明,该方法能够满足沙粒粒径识别的精度.     

低含水率沙床的临界起沙风速

针对目前对风沙起动机制的认识有限的现状，采用量钢分析法推导出对湿沙床的起沙有影响的4个无量纲数。经分析得到起沙风速与沙床沙粒粒径和沙床粘结力间的数量关系。通过建立沙床粘结力与含水率、沙粒粒径的关系式，得到临界起沙风速和沙粒粒径，含水率间的定量关系式。认为低含水率沙床的风沙起动风速与颗粒粒径的一次方和沙床含水率的1／4次方成线性关系，此结论与前人的实验结果符合得很好。     

基于边界层风洞的下击暴流稳态风场特性数值模拟

针对下击暴流稳态风场模拟问题,基于计算流体动力学方法(Computational Fluid Dynamics,CFD),首先分别采用二维、三维冲击射流模型对下击暴流风场进行数值模拟,对下击暴流风场特性进行研究.在此基础上,根据下击暴流对桥梁结构作用主要受水平风速影响的特点,采用二维数值模拟方法对边界层风洞中设置倾斜平板模拟下击暴流水平风速风场进行了研究.最后,设计并加工了边界层风洞下击暴流水平风速模拟试验装置,在边界层风洞中进行了下击暴流水平风速风场模拟试验,并将数值模拟结果与试验结果和已有文献结果进行了比较.结果表明:下击暴流风场的二维冲击射流模型模拟结果与三维冲击射流模型模拟结果吻合较好,即二维冲击射流模型是一种有效的下击暴流风场简化模拟方法;在边界层风洞中设置倾斜平板所模拟的下击暴流水平风速风场数值模拟结果和风洞试验结果具有较好的一致性,并与冲击射流模型数值模拟结果和现场实测结果均吻合较好,即在边界层风洞中设置倾斜平板可模拟下击暴流水平风速稳态风场特性.     

风沙流中沙粒相输移的测量

在风洞内对风沙流中运动沙粒进行了粒子图像速度场（PIV）测量，通过调整进光量和降噪处理得到了满意的PIV图像与沙粒相的速度场．结果表明颗粒在空中的运动受到球形度、风速的影响：在1m／s来流风速下，在固定点处50～63μm沉降沙粒的垂向速度随时间的变化出现双峰性，其时均值抹平了瞬时速度的波动；随着风速的增大，沙粒受气流脉动作用的影响越发显著，当来流风速增大到3．5m／s时，观察域内的63～80μm沙粒处于悬移状态；当来流风速为5m／s时，整个测量流场内沙粒的垂向速度的平均值为正值，方向向上．采用图像处理的数字掩码技术，处理图像得到了沙粒在流场中的面密度以及单宽输沙率．分析指出实验的误差主要是由沙粒的粒径尺寸和沙粒图像形心位置的不确定性所造成，且提出减小误差的措施．