基于随机力模型的风沙流数值模拟

发布时间：2020-09-27 21:20

　　在近地表层风沙流场中,沙粒运动主要有三种形式:蠕移、跃移、悬移。风场湍流特性会对沙粒运动产生显著的影响,使其运动轨迹随着时间、空间发生变化。风沙运动一方面会形成沙波纹、沙丘等风积地貌形态,另一方面又会形成浮尘、沙尘暴等自然灾害。就其本质而言,风沙流运动是一种典型的气固两相流,因此,研究其运动特性具有重要的理论意义和潜在的应用价值。本论文以布朗随机力模型为原型,提出了综合随机力模型来模拟湍流风场中的湍流、碰撞等随机因素对颗粒的作用,旨在简化计算模型,便于对大量颗粒运动进行统计分析。本文主要研究工作如下:(1)首先,对已有的湍流风场中风沙流问题的求解所提出的模型(朗之万方程、随机力模型)进行了分析和总结,给出了以经典布朗力计算公式为原型的综合随机力模型,从宏观上对风沙流问题进行模拟;(2)其次,通过对湍流风场中运动沙粒的受力分析,建立了颗粒随机力模型来描述沙粒在风场中受到的湍流、碰撞等随机因素。通过与有关数值结果和风洞实验数据进行对比,验证了随机力模型的适用性。在计算过程中比对几种主要的生成随机数的方法,选择能生成较高质量的服从高斯白噪声的随机数来进行风沙流问题的模拟求解;(3)最后,运用上述综合随机力模型,计算沙粒在湍流风场中的轨迹、速度、加速度等基本物理量,统计分析了风沙流中输沙量以及沙粒体积浓度。计算中,充分考虑了沙粒与风场的耦合作用,所得到稳定风场,与已有的数值模拟结果及实验数据吻合较好。数值结果显示以布朗力经典公式为原型的综合随机力模型在风沙问题的求解方面有切实的实用价值。
【学位单位】：兰州大学
【学位级别】：硕士
【学位年份】：2018
【中图分类】：P425.55
【部分图文】：

风成地貌,风沙灾害

兰州大学硕士研究生学位论文基于随机力模型的风沙流数值模拟第一章绪论1.1 研究背景以及意义全世界有大概五分之一的陆地被沙漠覆盖。在我国，沙漠主要集中在西北干旱地区，由于西部地区气候干燥降水稀少，非常容易形成大片的沙漠。在沙漠中，有非常多的自然景观，还有很多油气资源，因此沙漠是一个非常重要的旅游、自然资源。然而随着人类活动以及全球气候的变化，沙漠正在逐渐扩张发展，侵吞良田，阻隔河流，掩盖民居，并且伴随着季风，还会产生很多极端气候现象，例如沙尘暴、扬尘、浮尘等，对人类的生存环境造成了非常严重的影响，如图 1-1。

密度分布,风速,湍流,朗之万方程

问题的研究中，由于风场的运动是具有随机特性的复杂朗之万方程应用于求解风沙问题，一种通过描述跃移沙一种则是通过计算风场的脉动速度来描述风场的湍流的随机作用力。动速度朗之万方程间中任意一点风速都可以表示成平均风速u 与脉动风速速 u x, y , z ,t 的描述，Shao 等人[33][34]利用 Langevin 方0Ludu dt C dT 日时间尺度LT ；0C 是 Kolmogorov 常数； d 均值为 0密度分布的随机函数。这里耗散率以及标准偏差量。

沙粒,受力分析,拖曳力

图 3-3-1 沙粒受力分析图 Fg。颗粒在流场中，不可避免要受到重力的作用粒径越大，质量越大，则其受到的重力越大，重316g p pF d g fF 。处在流体当中的物体会受到由上下表面压差316f aF d g 力dF 。拖曳力是颗粒在运动过程中由于与流体的种拖曳力实际上是由于流体粘性而与运动物体之均匀，静止的流体对颗粒的作用力就与动态的流力就是拖曳力，根据 Morsi 和 Alexander 的研究表达式如下：21)8d d a p pF d C u u （u u

【参考文献】