沙漠公路近壁流场的风洞实验和数值模拟

采用风洞实验结合数值模拟方法研究沙漠公路近壁流场,进而探讨沙漠公路的防沙优化设计．建立了模拟风场结构的二维湍流模型,借助Fluent软件进行计算,与风洞模型实验进行对比,并由此模拟计算不同公路设计条件,比如公路边坡比、宽度、高度以及风向与公路走向夹角等不同条件下公路附近的流场结构．     

混合颗粒点源扩散风洞试验研究

针对沙尘的扩散问题开展了沙粒点源扩散风洞实验,结果显示沙粒经点源扩散后质量沿高度的分布服从高斯分布,这与已有点源扩散研究结果一致.随着风速的变化,沙粒垂向扩散的中心高度随风速的平方呈反比,均方差随风速呈反比;随着与点源距离的增加,中心高度呈线性减小,均方差呈线性增加.同时,根据实验结果给出了点源扩散分布质量沿高度分布的中心高度和均方差随风速、粒径和扩散距离的表征方程.此外,分析结果还表明混合沙粒扩散后不同高度处的平均粒径随高度呈线性递减,这与已有的野外沙尘暴期间的粉尘粒径观测结果是一致的.     

风成沙波纹的离散粒子追踪法模拟

基于所提出的离散粒子追踪法对风成沙波纹的发展过程实现了计算机模拟. 与现有模拟沙波纹的方法不同的是, 该方法同时考虑了与真实沙波纹形成相关的3个主要因素, 即不同粒径的众多沙粒在沙床上方所形成的风沙流、风沙流中沙粒对沙床的碰撞以及碰撞后沙粒的反弹或溅起、沙粒在床面上方的跃移和在床面的蠕移. 由该方法能够成功模拟出与真实沙波纹基本一致的形成过程、几何形状和特征、分层迭片结构和移动速度以及沙波纹出现和消失的临界摩阻风速.     

沙尘暴期间运动尘颗粒对高压输电导线施加的应力预测

针对沙尘暴期间输电导线动力学行为分析中运动粉尘颗粒对高压输电导线施加的应力预测,以引入的粉尘颗粒与输电导线的碰撞概率为基础,应用弹性碰撞模型和颗粒运动方程对碰撞时间予以定量预测,提出一种基于粉尘颗粒和输电导线尺度、粉尘质量浓度及流场作用的粉尘颗粒对输电导线施加应力的计算方法 .揭示了以上因素对应力的影响规律:应力随粉尘颗粒的速度近似呈线性增大;随输电导线的半径近似呈线性增大;随粉尘颗粒的半径近似呈指数形式减小.结果表明,在输电线路设计中,不仅要考虑风荷载,还需考虑运动粉尘颗粒的作用.     

气象观测塔架周围风场水平风速畸变规律的定量分析

采用FLUENT软件,对位于中国巴丹吉林沙漠边缘高度为50 m的气象观测塔,定量模拟了处于水平来流流向风速作用下,塔架周围流场的畸变规律.定量模拟结果显示:流向风速在塔架背风区域的畸变与已有野外测量和风洞实验结果良好吻合,证实了本文定量模拟结果的可靠性.在此基础上给出了流向风速在塔架迎风区域的畸变规律,指出流向风速在塔架迎风区附近的亏损率随塔架方位θ基本服从高斯分布,且无论水平来流流向风速多大和距塔架表面多近,在方位角θ=±55°附近均可基本忽略塔架对来流风速的影响.揭示展向的塔架诱导风速随离塔架表面距离和方位以及水平来流流向风速变化的规律,发现塔架的诱导风速会随着水平来流流向风速的增大而增大,其最大值在展向可达到来流流向风速的15%左右.     

风成沙波纹和沙丘的动力行为分析

通过对风成沙波纹和沙丘场形成和发展过程的三维定量模拟, 再现出沙波纹的自修复过程和沙丘的碰撞过程. 在此基础上, 揭示出沙波纹及其“Y”形接头的自修复行为以及沙丘碰撞后出现包括类“孤波”在内的不同现象的主要规律, 发现: 沙波纹自修复时间会随摩阻风速的增大而缩短, 而“Y”形接头的存在和粒径的增大都将延长沙波纹的自修复过程; 沙丘间发生碰撞的后果与发生碰撞的两个沙丘的相对尺度以及它们连心线与风向的夹角有关, 而类“孤波”现象的出现主要发生在相互碰撞的沙丘尺度比较接近且连心线与风向的夹角较小的情形.     

防沙栅栏风洞实验的数值模拟

通过给出描述横条栅栏附近风场初边值问题基本方程,成功实现了对栅栏风洞实验结果的数值模拟.在此基础上,给出栅栏背风面的风场分布规律以及栅栏高度、孔隙度和空行数等对栅栏有效防护距离的影响.