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．     

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.     

形状因素对风沙跃移影响的数值研究

目的研究沙粒形状因素对沙粒跃移的影响。方法采用两类形状系数对阻力系数加以修正,进行了沙粒跃移的数值模拟。结果获得了形状系数修正后的模拟结果,并对比分析了其与采用球形假设的模拟结果以及真实沙粒跃移轨迹的高速摄影实验结果之间的差异。结论沙粒形状因素对沙粒跃移的影响是不能忽略的。当粒径>160μm时,两种修正方法得到的计算结果与实验轨迹基本一致,而当粒径≤160μm时,采用基于颗粒阻力的形状系数,将沙粒转化为球形的修正方法得到结果更接近实际。     

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     

基于颗粒跃移运动的推移质输沙率研究

采用高速摄像技术,对跃移颗粒撞击床面颗粒的过程进行了观测.通过求解跃移颗粒与床面颗粒的撞击模型,确定了速度恢复系数.纵向速度恢复系数主要由撞击面角度决定;垂向速度恢复系数主要由入射角度决定.通过求解跃移运动方程,建立了考虑颗粒碰撞影响的平均跃移高度、跃移速度计算式.基于平均颗粒浓度与有效水流强度之间的关系,推导出均匀推...     

风速脉动对跃移运动的影响

对风沙流中随机风场模型进行了描述，然后基于高斯概率分布，利用随机Fourier级数生成脉动风场，进而对混合粒径颗粒在湍流随机风场中的运动进行数值计算，给出了颗粒的垂直质量通量和水平质量通量以及沙粒粒径分布的变化情况。实例分析表明，所提出的算法在给定条件下，数值模拟结果与实际观测结果符合良好。     

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＂。     

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.     

跃移颗粒单步运动的统计规律

采用三维粒子示踪测速技术,通过分别变化示踪粒子的粒径、密度以及水力比降等条件,观测了6种不同水沙条件下推移质颗粒的单步运动,并对大量粒子的运动规律进行统计分析.观测结果表明,颗粒单步步长以及跳跃高度均随水流速度增大而增大,随颗粒粒径和密度增大而减小.统计规律表明,跃移颗粒单步步长的概率密度服从Γ分布,颗粒起跃段步长与总步长之比接近一个常数.     

颗粒起动过程的数值模拟

目的采用欧拉-欧拉方法研究不同粒径沙尘颗粒起动规律。方法采用数值模拟的研究方法。结果在雷诺数为1.7×105时,分别计算了1.00,0.50,0.08 mm 3个粒径的沙粒起动过程。数值模拟的结果能够模拟出沙尘颗粒的3种运动过程,和实验现象吻合。结论对于粒径为1.00 mm和0.08 mm的颗粒来说,颗粒的起动总是首先发生在风速突变的地方;粒径越小的颗粒起动越快,即更容易发生起动过程。     

一种新型造雪核子器的数值模拟研究

基于造雪机核心部件核子器，建立了核子器物理模型与内流域模型，利用数值模拟方法对核子器的内流场进行了计算，针对该核子器重要参数混合室长度、核子器出口直径的变化，首先采用VOF模型研究了核子器内部气液两相分布情况，并使用DPM模型研究了上述参数对核子器雾化粒径的影响，分析了雾化粒径大小及其出现频率的规律，研究核子器受关键几何参数的影响规律，为核子器结构优化提供科学依据。模拟结果表明：核子器混合室长度对其雾化效果有较大的影响，出口直径对其雾化效果有一定的影响，该核子器达到较好雾化效果的结构为混合室长度30 mm、出口直径1.1 mm。     

长沙机场T3航站楼雪荷载数值模拟及取值

持续大量降雪在建筑物屋盖表面造成大量积雪,同时在风雪天气条件下,雪粒会发生复杂的漂移运动,使建筑的屋面会发生风致雪漂移现象,导致屋面局部实际雪荷载值超过设计值。长沙机场T3航站楼为造型较为独特的大跨屋盖结构,通过CFD(computational fluid dynamics)数值模拟方法对屋盖积雪分布进行研究,并分析设计取值。在模拟雪荷载时,采用了较为常用的VOF(volume of fluid)法,通过设定各相的体积分数来模拟其空间分布。数值模拟结果表明,积雪迁移现象对多级屋面的积雪分布产生显著影响,导致雪荷载分布不均匀。进一步结合荷载规范进行雪荷载包络设计,得到大厅区域和指廊区域的雪荷载分布系数。     

断层宽度对跨断层隧道错动反应特性影响的数值模拟

为了研究断层宽度对跨断层岩体隧道错动反应特性的影响,利用大型有限元软件ABAQUS,建立了断层错动三维有限元计算模型。在此基础上,以走滑断层为例,对比分析了断层宽度逐渐增大的过程中,跨断层岩体隧道的错动反应特性。计算结果表明:走滑断层错动作用下,衬砌拱腰主要承受拉/压应力,拱顶和拱底主要承受剪应力;拉/压应力峰值出现在变形最为剧烈位置处,剪应力峰值出现在错动盘和断层交界面附近。走滑断层错动对衬砌的影响范围随断层宽度的不同而有所不同:当断层宽度由0逐级增加至20、40 m时,影响范围逐渐增大;当断层宽度由40 m增加至60 m时,影响范围基本不变,说明断层错动对衬砌的影响范围存在一限值。     

叶片前缘扩张形孔气膜冷却特性的数值模拟

考虑曲率的影响下计算获得了叶片前缘带扩张形孔的气膜冷却特性,分析了平均吹风比对气膜冷却效率的影响,并与传统的圆柱形孔气膜冷却特性进行了对比.结果表明:与圆柱形孔相比,扩张形孔射流的覆盖面更宽,冷却效率更高.     

固井用油井水泥颗粒干混特性的数值模拟

在固井作业中,湿混方式混合时间长、原料浪费严重、环境污染大,因此气力干混技术日益得到重视。为探究干混时油井水泥与外掺料混合均匀程度的变化规律,确定最佳操作条件,利用FLUENT软件,采用欧拉-欧拉多相流模型对混拌罐内油井水泥颗粒和外掺料颗粒的混合过程进行数值模拟,分析了进气速度、进气口数量、物料装填顺序以及颗粒物性等因素对混合情况的影响。结果表明：气流速度较低时油井水泥与外掺料混合不均匀,气流速度过高则会出现颗粒局部集中;对本算例而言,气流为1 m/s时可获得较好的混合效果;增加进气口数量不能明显改善颗粒混合的均匀程度;初始装填时,密度最大的颗粒不应置于最底层;颗粒密度对混合情况有较大影响,而粒径的影响较小。     

跃移层中沙粒浓度分布特征的研究

对于不同的沙粒起跳初速度分布函数，利用数值方法模拟了沙粒浓度沿高程的分布规律，发现风沙强度沿高程具有“递增－饱和－衰减”的按层分布的规律，进一步详细研究了影响风沙流结构的主要因素，如风速分布、地表粗糙度、沙粒粒径等对风沙流结构的影响方式和规律。     

中庭类建筑火灾烟气流动的数值模拟

火灾场景烟气流动与控制数值模拟是性能化消防设计的关键。借助Fluent软件,考虑烟气产生量、烟气排放量两因素,设计两种中庭类建筑火灾场景,并建立数值模型。模型边界条件为:环境温度20℃,排烟口速度分别为15.741、11.111 m/s,补风口速度1.107 m/s。模拟结果表明:在火灾发生300、900 s时,两种场景在6 m处的温度场小于60℃,CO质量分数小于0.15%;900 s时烟层沉降高度分别为14.0和11.5 m,三者均符合性能化评定标准。该研究对中庭烟气控制系统的工程设计具有实用价值。