风沙运动的力学机理研究

风沙运动机理研究是认识土壤风蚀、沙尘天气(甚至沙尘暴)以及风沙灾害本质,进而实现有效防治的基础。其中所涉及的诸如多尺度、多场耦合、随机性、非线性、尺度效应和复杂系统等科学问题也是当今科学前沿所关注的共性和热点课题。本文在简要回顾与风沙运动力学机理研究相关的已有工作的基础上,重点介绍了兰州大学风沙环境力学研究组针对风沙流中的沙粒带电量和风沙电场的基本规律及其对风沙流和无线电通讯的影响、风沙流发展过程的理论预测、固沙结构有效尺寸的分析、风成地貌主要特征的计算机模拟等方面所开展的研究工作。     

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。     

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.     

风沙流/沙尘暴与高雷诺数壁湍流野外观测

 风沙流与沙尘暴是发生在高雷诺数大气边界层中的气固两相流,对风沙流与沙尘暴的深入认识、准确预报和科学防治都要基于对风沙运动规律的认知和把握,因而需要借鉴高雷诺数湍流的研究成果。本文综述了高雷诺数壁湍流和风沙流/沙尘暴研究的现状,着重介绍了在中国民勤地区建立的沙尘暴与高雷诺数壁湍流野外观测站,以及基于观测站的观测列阵所获得的初步成果,展望了进一步的发展方向。     

风沙运动中的若干力学问题研究

风沙运动机理研究是认识风沙灾害本质进而实现有效防治的基础，所涉及的诸如多尺度、多场耦合、随机性、非线性、尺度效应和复杂系统等科学问题也是科学前沿所关注的共性和热点课题。近年来兰州大学风沙环境力学研究组从力学和地学的学科交叉角度，通过风洞实验、理论建模和计算机模拟研究，揭示了风沙流中沙粒带电量和风沙电场的基本规律及其对风沙流和无线电通讯的影响，实现了对考虑多物理场耦合作用的风沙流发展过程的理论预测以及对风成沙波纹主要特征的计算机模拟，取得一些具有原创性的实质进展。     

沙堆边界确定方法

在流固耦合问题研究中,往往需要确定流体与固体的分界线或分界面,以确定其流固耦合效应。本文用散体单元法(DEM)研究风沙运动时,考虑了风沙运动中沙堆与空气交界不断变化的基本特点,给出了一种确定存在沙粒跃移的沙堆与空气边界的方法。     

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。     

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.     

金阿铁路戈壁风沙流输沙量研究

目前铁路的修建在戈壁地区面临的一大问题就是戈壁风沙流对工程的危害,风沙流的风蚀和积沙作用严重危害铁路路基的稳定性及机车的行车安全。针对风沙流设计经济合理的工程防治措施是保证工程建设及铁路运营的关键。通过研究前人的研究成果,结合铁路工程在勘察中可以相对容易获取的戈壁砾石覆盖度、风沙颗粒粒径、密度以及风速等影响因子,提出一套计算戈壁风沙流年输沙量的计算公式。不用采取建立长期观测站点等耗费人力财力的常规手段,就可以为工程设计提供相对准确的指标。节约了勘察期间的成本和时间,并使勘察工作更加符合现阶段铁路项目快速建设的时代要求。     

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.     

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。     

戈壁地区铁路沙害成因及工程防护初步研究

铁路沙害是影响铁路安全运营的重要因素之一,而戈壁风沙流地段的路基防护仍以工程防护为主,铁路安全运营成为重中之重,为确保施工顺利和运营安全,结合柳敦铁路电气化改造工程路基风沙防护,对铁路风沙防护进行了分析和研究,为相似铁路路基风沙防护提供施工及维护提供经验参考。     

新疆油气管道主要风沙灾害及其风险管理

针对新疆沙漠地区天然气管道风沙灾害现状,分析了管道沙害的基本形式和致灾机理,并根据风沙流运动的基本特点,经回归推导了新疆沙漠地区不同风速、不同沙丘位置的油气管道覆土风蚀速度与气流流速的相关方程,为油气管道风沙灾害风险评估和安全管理提供了可借鉴的科学依据.     

临山风沙处理

西格线临山车站小里程侧属戈壁风沙流地貌,风沙危害严重。本文根据该处各种自然条件,分析了该处风沙病害产生的原因、规模及现状,预测其对新建铁路工程可能产生的影响,并提出了相应的处理措施。     

新月形沙丘表面粒度特征对沙丘发育规模及风向变化的响应

正新月形沙丘广泛分布于陆地表面,是形态最为简单、分布最为广泛的风沙地貌类型。微观上沙丘表面沉积物刻画了颗粒运动方式的差异,宏观上反映了气流、沙丘形态以及沉积物等耦合作用下的风沙输移、地表蚀积变化,以及随之而来的沙丘形态演化。新月形沙丘表面沉积物粒度特征,是沙丘形态、区域气流和风沙流相互作用的综合反映,是理解沙丘形态变化和动力学形成过程的重要视角,对于揭示沙丘形成演化及空间分异、沙物质来源和沉积环境具有重要指导意义。     

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.     

高速轿车二维风沙流边界层数学模型

基于普朗特的边界层思想,以不可简化成稀相的风沙流体为研究对象,以风沙流的一般方程为基础,在基本假设的条件下,建立了高速轿车车身顶部过流表面的边界层微分方程并给出沙流在近壁表面以滑移为特征的边界条件。又考虑到固体颗粒对边界层的扰动作用,引入了扰动因子。通过对边界层厚度的积分并利用相关条件,得到了边界层动量积分方程。     

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．     

风力发电结构在风沙荷载激励下的动力响应分析

为研究风沙荷载对风力发电结构的危害,对风力发电结构进行风沙荷载作用下的动力响应分析.基于某2 MW风力发电机,建立不考虑风机叶片、考虑叶片旋转以及考虑土-结构相互作用的三种有限元模型.采用Dav-enport风速谱和谐波叠加法模拟脉动风速时程,利用动量守恒定律和风沙流密度建立风沙荷载力学计算模型.通过ANSYS分别模拟...