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.     

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。     

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．     

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＂。     

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     

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.     

跃移沙粒运动参数的数字图像分析

采用高速相机记录了大气边界层风洞中的沙粒跃移运动,并对所获取的跃移图像序列运用双向粒子追踪算法对帧间沙粒进行匹配,从中提取出准确的跃移轨迹.对跃移沙粒位置函数进行基于时间自变量的曲线拟合及求导来计算运动参数,结果表明,与传统方法及降频差分法相比,拟合-求导法能更好地克服数据波动性大、端点数据损失及时间分辨率低等问题,在单颗粒连续性运动量化分析中更具实际意义.结合拟合-求导法和简化受力模型,计算得出了真实跃移过程中阻力加速度的变化以及广义升力在来流方向的作用方式.     

高频测量输沙浓度对湍流脉动的频率响应

为揭示风沙流中输沙浓度对湍流脉动的响应频率,在边界层风洞中对不同粒径沙样进行了两相同步测量.采用高速数字相机以2 000帧/s拍摄跃移粒子连续图像以计算瞬时输沙浓度,配合热线风速仪同步记录跃移层内的湍流脉动.结果表明,沙粒瞬时浓度变化呈典型的随机过程,其频谱规律表明输沙浓度只能响应含能较高的低频湍流脉动.引入小波包变换分析两相数据的能量结构,结果显示沙粒浓度的能量波动约有90%集中在500 Hz内的低频段.输沙浓度对湍流脉动的响应频率受粒子尺寸的影响,对于100～125μm的小粒径沙样,阈值响应频率约为40 Hz,对于300～500μm的大粒径沙样,响应频率约为30 Hz.     

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.     

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。