复杂气流场下风成沙貌的数值模拟研究

发布时间：2020-08-09 06:02

【摘要】：风沙流是气流携带各种不同粒径的沙粒,使沙粒发生不同距离和形式位移的一种现象。在风沙作用过程中所形成的地貌,称风成地貌。形成这种地貌的原因是地面表层松散堆积物被气流风蚀、搬运和沉积而造成的。在沙漠地区,风沙运动与沙貌形成是一种最普遍的沙面运动形式,它的变化过程和气流场的流动特征及沙床面表层的组成形态关系密切。因此,沙纹是沙漠地区最基本也是最普遍的风沙地貌形态。虽然沙纹的几何图案是有规则的,一般主要表现为迎风面缓、背风面陡,但由于自然环境的变化,其形态又决不是整齐的。气流与沙粒之间的相互影响使得沙纹的形状和风沙地貌非常复杂和多样。以往,许多学者通过野外观测和风洞实验做了大量的研究,使风沙物理学领域得到了进一步发展。近年来,随着计算机技术的进步,数值模拟方法逐渐成为了风沙机理研究的重要手段。数值模拟方法将野外和风洞实验数据及理论分析结果作为模拟的基础,建立了沙粒的运动方程。通过计算机对方程进行求解,将得到的数值模拟结果与实验结果进行对比分析,给研究工作带来了极大的便利。本文为了研究风沙运动所引起的沙漠化问题,详细研究了在气流作用下产生的风沙运动的基本理论,并建立了风沙流场的数学模型。首先从流体力学的基本理论出发,详细阐述了气流场的本构方程,并将不可压缩气流场N-S方程离散成二维差分格式,为后续的数值模拟研究奠定了理论基础。然后从动力学角度出发,分析了沙粒的几种主要运动形式,包括跳跃、蠕移、悬浮及崩溃条件,并基于此进一步深入地分析了沙流场及其本构方程式的建立过程。最后,通过C程序语言实现了不同雷诺数下的空泡流模型及复杂气流场模型的流体流动状态的数值计算平台,并将这两种模型与沙流场模型耦合,实现了不同雷诺数下的风成沙貌过程的数值模拟。为了验证模拟结果的正确性,同时也为了能够客观的解释风沙运动的机理,本研究搭建了室内风洞实验平台和野外风洞实验平台,通过实验研究,掌握了一些风沙运动规律。
【学位授予单位】：新疆大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2015
【分类号】：P931.3

【参考文献】