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.     

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.     

输电杆塔在风沙荷载激励下的动力响应分析

为了深入研究风沙荷载对输电铁塔的危害、提高我国输电线路整体的防灾减灾能力,以直线塔为研究对象,采用SAP2000软件模拟了杆塔结构在风荷载和风沙荷载作用下的动力响应.将风沙荷载简化为风荷载与沙粒荷载的叠加,并应用Matlab软件进行模拟.风荷载采用Kaimal风速谱和谐波叠加法进行拟合,沙粒荷载则基于动量守恒定律和沙尘暴天气等级进行简化.风荷载与风沙荷载作用下单塔结构动力响应特性的对比结果表明:风沙荷载、结构动力响应、塔顶最大顺风向位移均随着风沙荷载等级的增加而增大,且均大于风荷载单独作用.此外,最高等级的风沙荷载较同风速下风荷载作用的塔顶最大顺风向位移增加约26.94%.因此,在风沙灾害频发的区域,风沙荷载对输电线路的危害应予以关注.     

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。     

风沙电多场耦合中沙粒跃移运动的受力分析

基于风沙电多场耦合跃移运动的理论模型,通过对稳定风沙运动的数值模拟,将沙粒在运动过程中所受各种作用力,如空气阻力、Magnus力、Saffman力、静电力与重力进行了对比研究,讨论了沙粒所受各种作用力随摩阻风速、沙粒粒径、沙粒初始旋转角速度和初始起跳速度的变化规律．     

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。     

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.     

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＂。