粗糙元几何参数的交互作用对床面空气动力学粗糙度的影响

 为了全面地揭示粗糙元的所有几何参数的交互作用对空气动力学粗糙度的影响,利用风洞实验研究了粗糙元高度、密度、高度与间距比、孔隙度和方向比率等几何参数交互作用对空气动力学粗糙度的影响。结果表明,密实和孔隙粗糙元的无量纲空气动力学粗糙度（空气动力学粗糙度度/粗糙元高度）均可表示为粗糙元密度/等效密度的正比例函数,而比例系数反映了粗糙元几何参数交互作用。据此,该研究发展了一个全面反映粗糙元高度h、密度/等效密度λ、高度与行间距比Sp和方向比率AR等几何参数交互作用的空气动力学粗糙度模式:Z0h=-0.0028+0.5403S0.32p·AR-0.07·λ。该模式改进了模拟的精度,扩大了适用范围。     

粗糙床面风廓线的转折特征及其物理意义

为了进一步认识粗糙床面空气动力学粗糙度的物理意义,理解空气动力学粗糙度对动量传递和跃移起动的影响机制,从风洞试验测定的粗糙床面风廓线转折特征入手,分析了粗糙床面的空气动力学性质并提出了内边界层动量传递及近壁区沙粒起动的可能机制。结果表明,细高粗糙元（方向比率在4~20之间）和孔隙粗糙元（孔隙度在0.15~0.75）风廓线呈现4个转折段,对应的湍流垂直分层为近壁区-尾涡层（Z≤0.15H~0.5H）、内边界层-尾涡层过渡层（0.15H≤Z≤0.75H）、内边界层（0.3H~0.75H≤Z≤1.2H~6H）和内边界层与外边界层过渡层等。粗矮粗糙元（粗糙元的方向比率在0.4~1.25之间）风廓线存在几个转折段,对应气流垂直分层为近壁区-尾涡层（Z≤1H~1.5H）和内边界层（1H~1.5H≤Z≤7H~35H）等。细高粗糙元和孔隙粗糙元覆盖21组床面（侧影盖度在0.007~0.50,粗糙元的高度在10~100 mm）的内边界层内空气动力学粗糙度在0.07~30.74 mm之间,比内边界层以上或以下过渡层的空气动力学粗糙度高几个数量级到数倍;内边界层摩阻风速的0.50~1.66 m\5s-1之间,是内边界层以下过渡层的1.5~10倍、内边界层以上过渡层的摩阻风速的1.1~2.8倍。内边界层的空气动力学粗糙度和摩阻风速分别代表了粗糙床面对气流阻力特征和湍流切应力。内边界层以下过渡层湍流切应力与粗糙元之间光滑地表所受切应力关系不大,而近壁层切应力与光滑地表所受切应力直接相关。近壁层猝发过程上抛运动和内边界层湍流猝发过程下扫运动耦合关系是内边界层的一部分动量传递到近壁区并导致沙粒起动的可能机制。