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．     

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-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.     

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。     

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。     

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.     

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.     

风沙流对坡面加速比的影响

采用欧拉双流体模型,利用数值方法研究了风场中沙粒体积分数和沙粒粒径对坡面风加速比的影响.结果表明,坡面风加速比受沙粒的影响很大,在净风场时坡顶表面风加速比均大于0,而当风场挟沙时在中间高度区域风加速比小于0.随着入口沙粒体积分数的增加,坡面风加速比减小;随着沙粒粒径的增大,坡面风加速比减小,但在上壁面附近加速比随着沙粒粒径的增大而增大.     

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。     

风沙环境对风力机气动性能的影响

风沙环境中，沙尘会对风力机气动性能产生影响。基于欧拉双流体模型，研究来流风速10m/s的情况下，不同的沙粒体积分数、粒径对翼型du93,s802和s803升力的影响。结果表明：在一定范围内，随着沙粒的体积分数增大，叶片的升力大小呈线性增加，其中s803翼型增幅最明显，达到16.74%;du93翼型增幅最小，为14.62%;沙粒的粒径对叶片的升力影响微弱，可忽略不计；三种翼型中s803产生的升力最大，s802次之，du93气动性能最差。研究结果对风沙环境下，风力机翼型选取具有指导意义。     

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。     

刚性弹体冲击下无机玻璃的损伤破坏机理

使用有限元算法计算无机玻璃板在刚体弹体冲击下的响应过程,分析其损伤破坏机理. 通过计算发现无机玻璃板受冲击时,先出现径向裂纹,之后分叉形成环向裂纹,在径向裂纹与环向裂纹的交错作用下,无机玻璃板破裂成碎块. 无机玻璃板径向裂纹的出现是其被破坏的主要原因,而环向裂纹的出现则为无玻璃板吸收了大量冲击产生的能量. 厚度一定的无机玻璃板在刚性弹体特定速度范围内的冲击作用下吸能效果较好,这为无机玻璃板结构的设计提供了参考依据.     

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．     

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．     

风沙流中蠕移粒子群动量分布特征的风洞实验研究

研究了风沙流中蠕移粒子运动过程,揭示了蠕移的新成因和蠕移粒子群动量分布的规律。利用改进的数字高速摄影技术同步记录了风沙两相流中蠕移粒子群的轨迹和粒径。约80%的蠕移粒子是由跃移粒子入射后动量衰减转化而来,是蠕移的主要成因。入射-反弹过程中的滚动粒子群、入射-滚动粒子群、跳跃滚动的粒子群、气力或冲击起动的滚动粒子群的动量分别集中于中值动量分别为0.5 mg ms-1,0.8 mg ms-1,3.7 mg ms-1,2.1 mg ms-1,标准偏差分别为2.43,2.15,2.34,0.95等正态分布模块。粒子群速度-粒度的反相关关系使得气力或冲击起动的蠕移粒子群的平均动量低于由跃移动量衰减转化的蠕移粒子群。由于复杂的粒度分布和速度分布的组合,导致蠕移粒子群动量分布符合多模块的正态分布模式。     

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.     

弯道对拱坝闸孔挑流的泄流影响试验研究

采用流场实时测量系统和直读式流速仪等测量手段对弯道处拱坝挑流泄流的水流特性进行了系统的试验研究,较为精确地测量了弯道和闸孔及其挑流水流的流场和时均压强水头等,通过对三种不同工况的试验数据进行分析,探讨了弯道水流对闸孔泄流影响的相关规律和特征,为深入分析建闸后弯道水流对闸孔泄流的影响研究提供借鉴。     

冲击负荷对厌氧折流板反应器运行性能的影响

采用厌氧折流板反应器(ABR)处理精对苯二甲酸(PTA)生产废水,研究冲击负荷对反应器运行性能的影响。经过110 d的运行,在容积负荷为3.60～5.76 kg/(m3.d)条件下,ABR反应器对化学需氧量(COD)的去除率为67%～81%,表明ABR反应器处理PTA废水具有较高的处理效能和运行稳定性。冲击负荷过程中,第1格室COD去除率显著减小,而其他格室COD去除率均略有增加;此外,沿着水流方向各格室中挥发性脂肪酸(VFA)浓度和氧化还原电位(ORP)依次减小,pH依次增加,表明ABR反应器的分室化结构为PTA废水处理提供了良好的厌氧相分离环境和运行稳定性。     

原子尺寸差效应对Au的势能曲面及玻璃形成能力的影响

运用分子动力学模拟方法,采用镶嵌原子势,研究了金属Au和AuAu′（Au为正常尺寸的金原子,Au′为半径尺寸变大10%的金原子,两者的原子比例为3：1）在发生玻璃转变过程中的势能曲面,探讨了原子尺寸差效应对势能曲面的影响.我们发现增加原子尺寸差会导致Au的势能曲面发生显著的变化：它使高-低温的内在势能差变大;导致每个温度下内在能量分布变宽,势能曲面变得粗糙;使得体系的海森矩阵特征值分布曲线的峰值变矮,势能曲面上的结构重排方向更少,重排几率更小;导致过冷液态区的流变激活能随温度降低增加更快.以上原子尺寸差效应导致的势能曲面的所有的变化,都有利于提高非晶的形成能力.     

液氮压裂中液氮对岩石破坏的影响试验

为了研究液氮对岩石破坏的影响,在理论分析的基础上,借助核磁共振测试技术,通过测试所选取的砂岩岩样孔隙体积及孔隙结构的变化,研究液氮对干燥状态和饱和水状态岩样的破坏形式。结果表明:液氮的热力冲击作用可使干燥岩石在较短时间内产生收缩变形和孔隙体积减小,试验后红色砂岩和白色砂岩岩样的孔隙体积分别降低了8.63%和4.78%;冻结作用对饱和岩样的矿物颗粒之间胶结较弱处具有损伤破坏作用,当损伤达到一定程度后,会贯通成缝,使岩体出现断裂现象。