微地表形态下风沙跃移运动的风洞实验观测与数值模拟

发布时间：2020-10-29 15:37

　　 目前,对于近地层风沙运动研究的理论分析、数值模拟等方面主要针对在平坦地表、稳定风速等条件下进行的,对于复杂地形条件的影响研究较少。然而我们知道野外沙漠中地形条件是复杂多变的,因此本学位论文开展了有关复杂地形条件下风沙运动机理方面的一些基础性的风洞实验与及数值模拟工作,主要研究内容如下： 1、风成沙波纹是沙漠中最普遍,也是最基本的形态,它的产生,发展和消亡过程与表面气流的运动特征密切相关。为了对沙波纹表面气流特征进行更深刻的了解,本章采用PDPA(激光多普勒粒子动态分析仪)在风洞中测量了4种不同风速下沙波纹表面流场的变化特征。得到了沙波纹不同位置处风速,湍流强度,湍动能的变化情况；在本章中我们还采用PIV (Particle Image Velocimetry)系统测量了天然混合沙风沙两相流中沙粒的速度,重点分析了以下几个方面,包括：沙粒入射以及起跳的速度分布情况、沙波纹地形对风沙运动的影响等。 2、为了揭示非平坦地形条件下风沙流运动特征,建立相应数值计算模型：气相运动采用大涡模型,而固相(沙粒)处理为离散体系(DEM),沙波纹尺度根据野外实测数据采用浸入边界法逼近,并利用已有的沙粒与床面碰撞的击溅函数,获得整个风沙系统运动特性。通过计算,得到了不同地表形态下风沙流达到稳定后,单宽输沙率随时间发展过程、输沙率沿高程的分布以及相应粒子运动的信息,并且得到了在沙波纹存在条件下的风沙流结构中,风速在不同截面处的变化特征。 3、在自然环境下风沙运动的地表形态是复杂多变的,包括沙波纹、沙丘、小沙堆、植被与砾石等等,在真实的野外沙漠地表中很难见到平坦的地表的,本章在第二章数值方法的基础上通过将稳态风沙流作为计算入口条件,考察了计算域中微地形对跃移风沙流的影响。结果表明地表形态对风沙跃移运动的影响是不容忽视的,同时我们可以得到不同位置处输沙率的变化,颗粒运动速度变化情况以及耦合后风场的变化特征。 4、采用大涡模拟方法得到不同来流风速下近壁面湍流的结构,通过象限分析方法判断湍流猝发的发生,并在猝发位置处建立沙尘颗粒起动平衡方程,对猝发作用下的不同粒径的沙尘颗粒起动做出了数值模拟。计算结果表明近壁面湍流猝发对沙尘颗粒起动有着直接的影响。
【学位单位】：兰州大学
【学位级别】：博士
【学位年份】：2012
【中图分类】：P931.3
【文章目录】：
中文摘要
Abstract
目录
第一章 绪论
    1.1 研究目的与意义
    1.2 研究现状综述
        1.2.1 沙粒的起动机制
        1.2.2 近地表风沙跃移运动的实验研究
        1.2.3 风沙跃移运动的数值模拟
        1.2.4 已有研究的不足
    1.3 本文工作的主要内容
第二章 近地表风沙跃移运动的风洞实验研究
    2.1 沙波纹表面流场的风洞实验测量
        2.1.1 风洞实验布置
        2.1.2 实验结果与分析
        2.1.3 沙波纹流场测量实验小结
    2.2 不同地表形态天然混合沙运动的PIV实验
        2.2.1 实验方法和仪器
        2.2.2 实验结果及分析
        2.2.3 近地表天然混合沙PIV实验小结
    2.3 小结
第三章 平坦与沙波纹地表下风沙跃移运动的数值模拟
    3.1 计算的基本方程
        3.1.1 流相控制方程
        3.1.2 颗粒运动方程
        3.1.3 粒床碰撞过程
    3.2 计算方法、边界条件与计算流程
        3.2.1 流场计算数值方法
        3.2.2 计算条件与流程
    3.3 计算结果与分析
        3.3.1 平坦床面风沙跃移运动计算结果
        3.3.2 沙波纹床面风沙跃移运动计算结果
    3.4 小结
第四章 微地形对跃移风沙流影响的数值模拟
    4.1 模型及基本控制方程
    4.2 计算过程及计算条件
    4.3 计算结果及讨论
        4.3.1 输沙率变化
        4.3.2 流场及颗粒运动结果
    4.4 结论
第五章 近壁面湍流猝发对沙尘颗粒起动影响的数值模拟
    5.1 近壁面湍流的拟序结构
    5.2 计算的基本方法
        5.2.1 流场计算的基本方程
        5.2.2 亚格子尺度脉动速度封闭模型
        5.2.3 湍流猝发的检测
        5.2.4 湍流猝发作用下的颗粒起动机制
        5.2.5 计算初始及边界条件
    5.3 计算结果及讨论
        5.3.1 流场变化及湍流猝发检测结果
        5.3.2 湍流猝发次数及猝发面积比
        5.3.3 湍流猝发作用下的沙尘颗粒起动及上扬通量
    5.4 小结
第六章 结束语
参考文献
研究生期间主要研究成果
参与科研课题
致谢

【参考文献】

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本文编号：2861107