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。     

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。     

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。     

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。     

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。     

福建东部海岸风沙流结构特征及沙害防治对策

针对福建长乐东部海岸风沙活动地区,观测海滩、半固定沙丘、植被固定沙丘不同地貌单元的风沙流输沙量,捕集不同高度输沙样品,据此分析研究区不同地貌的风沙流的结构特征值λ.结果表明:在海滩后缘,风沙流的中细粒沙质量分数从底层向上呈减小趋势,而粉沙沙粒的质量分数从底层向上呈增大的趋势.在活化沙丘顶部,风沙流中的中细粒沙质量分数随高度的变化无明显规律,而粉沙沙粒的质量分数从底层向上呈缓慢增大趋势.在固定沙丘顶部,中沙质量分数随高度的变化平缓,而细沙质量分数从底层向上呈缓慢减小趋势.这种风沙流结构特征,适合采用竹栅栏、马鞍腾、单叶蔓荆、滨刺麦和木麻黄树等多级防沙组合体系.     

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.     

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.     

风沙流中气固两相速度场的PIV-PLIF测量

结合粒子图像测速技术与平面激光诱导荧光法,对风沙流中气固两相的速度场同时进行了测量.实验采用罗丹明B溶液作荧光剂,通过超声雾化方式产生平均直径为2 μm的气相荧光示踪粒子.使用两组滤镜分别过滤荧光(橙色)与激光(绿色),通过两个CCD相机分别获得气固两相示踪粒子图像对.采用互相关算法及相应的图像处理方法进行后处理,从而获得两相的速度场.结果显示:风沙流两相的速度廓线在上部均满足对数分布;随着高度的降低,在床面附近风速梯度单调递减,风速廓线下凹,而沙粒与风场不断交换动量,相应地沙粒相速度廓线也会出现向下的偏离;6组沙样的速度廓线发生偏离的高度基本一致;沙粒粒径不仅影响沙粒本身的运动速度,同时对气相风场也有一定的影响.     

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.     

塔克拉玛干沙漠平坦沙地风沙流结构的空间差异性研究

利用高频率全自动集沙仪,于2015年4月28日至2015年7月30日在塔克拉玛干沙漠腹地平坦流动沙地开展了风沙流的空间观测,分析了该地区平坦沙地风沙流结构的空间差异性.结果表明:(1)4次天气过程4组集沙仪风沙流结构都符合幂函数分布,但是4组集沙仪同一高度的输沙率和输沙量以及总水平输沙量差异较大.4次天气过程中,25cm高度平均输沙量在3.31~5.35g之间,随着高度增加,平均输沙量差异性呈现减小趋势,100cm高度时平均输沙量在0.22~0.49g之间;4次天气过程中,4组集沙仪平均总沙尘水平通量在1.22~233.47kg/m之间.风沙流的不均匀性是造成此现象的主要原因.(2)采样频率对风沙流结构没有影响,5min以后风沙流结构基本稳定.     

立式砂仓断面积和高度研究及应用

基于室内实验、集料供排平衡理论、流体动力学理论,提出立式砂仓断面积和高度的计算模型.断面积计算模型的核心是有效沉降速度,通过沉降规律分析,提出有效沉降速度为干涉沉降结束时液面下降高度与沉降时间之比.高度计算模型由压缩层、沉降层、溢流层、储砂空间和稳定放砂高度组成,核心是压缩层高度计算,应用流体动力学理论提出压缩层高度和砂浆浓度的关系式.以某矿立式砂仓为例,计算得到立式砂仓直径D为10 m,砂仓高度H为26.5 m.现场试运行结果表明:砂仓底流体积分数可达44%(质量分数69%),溢流水体积分数控制在3%以下,浓缩效果良好.     

输沙量对海岸沙丘表面风沙流中不同粒径沙粒垂向分布的影响

 在我国海岸沙丘的典型分布区河北昌黎黄金海 岸,对不同输沙量下海岸沙丘表面风沙流中不同粒径组沙粒垂向分布的变化进行了野外观测。结果表明,在风速相近、物质组成一 致和下垫面性质相同情况下,随着风沙流总输沙量的增加,在非均匀沙床面上不同粒径组沙粒的垂向分布呈现出了不同的变化特点 。其中,随总输沙量增加粗沙输沙量总量并无增加,其输沙量下层减少、中层增加、上层减少,垂向分布转变为典型负幂函数模式 ;中沙在不同高度的绝对输沙量均有增加,相对输沙量下层（0~4 cm）减少、上层（4~60 cm）增加或基本持平,其垂向分布基本 符合指数递减规律,尤其是在0~60 cm高度内的分布随总输沙量的增加由负幂函数转变为指数函数;细沙输沙量总量和不同高度的 输沙量均有不同程度的增加,相对输沙量下层（0~6 cm）减少、上层（6~60 cm）基本持平或增加,垂向分布符合典型的指数函数 布模式。究其原因,主要应与不同风速气流的携沙极限以及不同粒径组沙粒的运动方式密切相关。     

风速对海岸风沙流中不同粒径沙粒垂向分布的影响

 选择河北昌黎黄金海岸状态自然、规模高大、形态典型的海岸横向沙脊,野外实地观测不同风速下海岸沙丘表面风沙流中不同粒径组沙粒垂向分布的变化。结果表明,随着风速的增大,海岸横向沙脊表面不同粒径组的沙粒在距地表60 cm高度内输沙量的垂向分布呈现出了不同的变化特点,其中粗沙的总输沙量减少,但中沙和细沙增加,在不同高度层内的变化亦不一致;相对输沙量基本呈现为下层减少、中层增加或基本持平、上层减少的变化特点,但各个变化层位的高度不一;垂向分布模式,粗沙转变为典型负幂函数分布,中沙由负幂函数转变为指数函数,细沙则为典型的指数函数布模式。究其原因,主要应与不同风速气流的携沙极限、随风速增大增加了沙粒的搬运高度以及不同粒径组沙粒的主导运动方式有关。     

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。     

Structural variations of sand-bearing airflow over dune at southeastern fringe of Tengger Desert

From the analytical results of observed data onsand transport rates at different positions of dune surface atsoutheastern fringe of Tengger Desert, it has been found thatthe vertical distribution of blown sand flux exhibits a no-ticeable variation when sand grains move upslope anddownslope of dune surface under the action of wind force.Within the height of 20 cm above the sand surface, the verti-cal distribution of mass flux at different positions from toe todune crest of stoss slope of sand dunes coincides with a singleexponentially decaying law; while the vertical distribution ofmass flux over the lee slope occurs as two variable zones,with the height of 8--12 cm as the dividing line, the sandtransport rate below this height exponentially decreases withincreasing height, but above this height decreases in a powerfunction law. On the stoss slope, the relative sand transportrate in the upper layer of sand flow tends to decrease withthe increasing wind velocity and the total sand transport ratetowards the dune crest due to the shortened trajectory lengthof saltation sand grains moving upslope. On the lee slope, theincrease in lift-off height and trajectory length of saltationsand grains moving downslope leads to the increase in rela-tive sand transport rate in the upper layer of sand flow.     

有限空间风沙流动数值模拟及边界条件问题

采用Euler方法的双流体模型和颗粒动理学方法对二维风沙气固两相流动进行了数值模拟,研究不同边界条件下的气固两相速度与浓度分布以及进口条件下的风沙流动。结果表明,对边界为固体壁面的流动,沙粒边界条件对其浓度分布有严重的影响,必须计及能量平衡和沙粒速度滑移效应,体现为沙面上的沙粒起动和碰撞特性;进口效应的存在使得在较短的距离内不能获得合理的流动结构,要求根据实验给出准确的进口条件,或者计算域有足够的长度,使流动结构不受进口效应的影响。     

砂沸现象的细观数值模拟及影响因素分析

采用饱和砂土流固耦合的细观力学模型,通过颗粒流数值模拟了在临界水力梯度条件下饱和砂土的细观响应.讨论了在建议模型框架内临界水力梯度、颗粒刚度等因素对模拟结果的影响,并从细观机理上做了进一步分析.模拟结果表明,在临界流或超临界流条件下,试样最终的稳态响应分成两部分:一部分颗粒停留在试样顶部,其颗粒数量正比于施加的水力梯度值;另一部分颗粒则在试样底部形成某种形式的对流运动.细观数值模型分析所得的临界水力梯度比连续介质力学分析得到的值要小,这个差别反映了模型的动力特性.在临界流或超临界流条件下,砂沸时水的流动除局部区域外基本上仍属于层流范围,但已偏离了达西定律.