沙尘起动初期近地面浓度分布数值模拟研究

对沙尘事件发生初始阶段近地面空间的风沙运动进行了数值模拟研究。考虑固相的剪切黏性、总体黏性、气固相间动量交换、升力等,建立了一个二维气固两相流动数学模型。采用Fluent流体力学软件,进行数值计算。对一组风洞实验数据进行了模拟计算,验证了本模型和计算方法的正确性。研究区域高500 m、长1 000 m。近地层风速廓线采用指数式。沙尘粒度分布用R-R分布;粒径5~150 μm。模拟计算得出近地层内不同风速、沙粒直径的风沙速度及沙尘体积浓度空间分布。结果表明,沙尘起动初期分为发展壮大、回落、稳定3个阶段。沙尘卷起的发展段长度、沙尘卷扬高度及浓度分布曲线形状,均随沙粒和入口风速而明显变化。到达稳定阶段,沙尘浓度沿高度的分布表现为,近地面存在一个均匀的浓度层,即饱和层,其浓度、高度取决于风速和沙粒粒径;饱和层以上沙尘浓度呈指数衰减。     

风沙流中沙粒随机运动的数值模拟研究

通过对描述沙粒垂向运动速度脉动分量的随机微分方程的直接求解,获得了风沙流中沙粒运动的随机轨迹。结果表明,由于沙粒垂向脉动速度的影响,沙粒的轨迹与不考虑其垂向脉动速度的情形存在明显不同。在此基础上,通过对大量轨迹的统计计算,得到了沙粒浓度的分布规律。     

脉动风场下风沙流结构的数值模拟

 基于野外观测实验和Langevin方程对风场脉动的描述, 研究了脉动风场下沙粒的跃移运动以及风沙流结构特征。结果表明,脉动风场对沙粒的跃移运动有着显著的影响,沙粒粒径越小,脉动风场对跃移运动轨迹的影响越大;考虑风场脉动时给出的风沙流结构具有明显的分层特征,并与实验测量结果吻合得更好。     

风沙跃移运动发展过程的离散动力学模拟

采用类似分子动力学的离散方法对二维风沙跃移过程运用高性能并行计算进行理论模拟。在本模拟模型中,考虑了沙粒与床面的碰撞、跃移沙粒与气流的相互作用等基本力学过程组成的复杂系统。通过并行运算技术使计算沙粒数达到72000的巨量计算得以实现。初步结果显示：自然跃移运动的基本特征如风沙流层内输沙率廓线可以较为成功的得以模拟。     

风沙环境中公路风沙灾害的数值模拟

为揭示沙漠公路两侧风沙流场的空间分布特性,采用欧拉-拉格朗日方法,把气流作为连续介质,把沙粒作为离散体系,利用ANSYS标准k-ε湍流模型和DPM离散相模型,模拟了不同沙粒粒径(150、200、250、300、350μm)、不同摩阻风速(0.20、0.35、0.50、0.65、0.80 m·s^-1)、不同挡风墙高度(1.0、1.5、2.0、2.5、3.0 m)以及不同挡风墙开孔情况下的公路路基附近的沙粒跃移运动,统计了挡风墙前后的沙粒数目,给出了公路路基坡脚和坡顶等典型断面上的气流速度廓线。结果表明:气流通过挡风墙顶部时受压加速,有利于沙粒的输送,而在挡风墙前部气流遇阻减速,形成沙粒堆积。随着沙粒粒径的变大,沙粒跃过挡风墙的能力逐渐变低;随着摩阻风速的变大,气流输运能力增强,更多沙粒越过挡风墙;随着挡风墙高度的增加,阻挡沙粒数亦逐渐增多;挡风墙开孔的位置和大小亦影响着沙粒的运动。这表明离散相模型对复杂下垫面风沙跃移运动的计算具有良好的效果。     

以计算流体动力学模型（CFD）模拟的戈壁地表风沙两相流运动特征

尘暴过程中沙砾质戈壁地表的风沙两相流运动,一直是风沙物理学关注的问题。但由于技术限制,野外观测及风洞实验难以捕捉大规模颗粒运动。为此,本文通过构建流体-颗粒碰撞互馈模型进行三维场域数值模拟,分析了不同砾石盖度下尘暴来流中的风沙两相流运动规律。结果表明：基于三维场流体-颗粒碰撞互馈模型修正后的求解结果能够较为准确地模拟戈壁地表风沙两相流运动过程。(1)不同来流尘暴过程,风相速度均会随砾石盖度的增大而减小,并在砾石盖度大于40%的戈壁近地表形成拜格诺焦点。相较于风相,沙相降速不明显。此外,距砾石床面4 cm以上,风沙两相速度基本保持一致。(2)当尘暴速度大于10 m·s^-1时,在距地1.5～2.1 m高度形成风沙两相流速度交点,交点上下表现为“风快沙慢”及“风慢沙快”现象。(3)尘暴过程中近地表沙尘浓度沿均值线呈“脉动”规律,表现为地表粉尘沉降与再释放循环过程,同时砾石盖度大小会直接影响沙尘沉积分布,当盖度大于40%时能够有效抑制沙尘释放。     

用创新思维破解风沙运动机理——两种理论体系核心的剖析

从地理学视角首次将风沙运动分解为内核和外延两部分,提出沙粒起动是风沙运动的内核,将沙粒起动后的一切输移表现界定为外延。流体起动和跃移质冲击起动是构成内核的两个实体。利用这一创新理念,对风沙物理学和风沙地理学两种理论体系的不同核心展开讨论。结果表明:能否区分内核两个实体的不同本质属性和能否摆正两个实体的互动机理是导致两种理论不同核心的形成和出现许多分歧的根源。本文深化了对风沙运动内涵的理解,从理论上突破了R.A.拜格诺长期用一扬一贬沙粒两种起动观引领沙坛学术潮流的核心理念。     

风沙运动理论体系的创建与研究

确定风、沙源、风沙流、下垫面和沙地地表形态是构成风沙运动体系的5个基本要素。确定风速的强弱、沙粒的走停、气流含沙量的盈亏、下垫面的扬抑作用和沙地地表的蚀积变化是这些基本要素各自参与风沙运动的主要表现特征。这些表现特征都能一分为二, 于是10个对立侧面的相互作用构成了风沙运动发展变化的总体。系统地研究这些侧面的组合关系、揭示它们相互促进相互制约的演变机理, 进而依其内在联系进行排序, 将其串联成一体, 并绘出图式, 这样便形成了名之曰"强、弱、扬、抑、走、停、盈、亏、蚀、积十纲辩证"的风沙运动理论体系。其中"强、弱、走、停、盈、亏、蚀、积八纲辩证"是本理论体系的核心。     

危岩崩塌运动分析及Rockfall数值模拟分析比较研究

边坡危岩崩塌是一种危害性极大的地质灾害,本文通过落石的运动轨迹,根据牛顿运动定律和能量守恒定律,分析总结了落石的运动速度及落石的撞击能量,最后再利用rockfall软件进行计算比较,为边坡防护提供科学合理的防护形式。     

膜下滴灌条件下绿洲棉田土壤水分运动数值模拟

应用非饱和土壤水运动理论,建立膜下滴灌条件下土壤水分运动二维数值模拟模型,研究了田间层状土壤在膜下滴灌条件下土壤水分运动特征.应用不同小区不同灌水处理的实测值与模拟值进行验证,同时对模型做了精度分析,结果表明符合精度要求,这说明所建立的模型能客观地反映实际土壤条件下的水分运动情况.研究结果表明:土壤剖面30～40 cm粘土层使土壤水分运动具有很大的差异,0～30 cm变化明显,而40 cm以下土壤水分运动的变化较小.膜下滴灌应该采取灌水量小,频度大的灌溉模式.     

风成沙纹数值模拟研究述评

风成沙纹的数值模拟研究已取得了不少进展，但各家所采用的模拟方法及模拟结果存在不少差异。笔者从模型构建，边界条件和初始条件的确定，算法设计以及模拟结果等方面对目前具代表性的六家沙纹数值模拟方法逐一进行了详细评述，最后提出了沙纹数值模拟研究的发展趋势。     

风砂土基本性质及其与土工格栅作用试验

对库布齐沙地、毛乌素沙地和腾格里沙地的调查和现场采取土样,试验测试了风砂土的物理力学性质指标和矿物化学成分,研究并提出了库布齐和腾格里风砂土粒度成分、化学成分的同一性,以及与毛乌素风砂土的差异性,这是由于土的成因与环境条件所至。对比分析了天然重度与干重度相差很小,最疏松状态下和最密实状态下干重度的也较接近,可用于控制填土密实度。在直剪摩擦和拉拔摩擦试验基础上,研究了土工格栅加筋风砂土产生的φ值和具有类似内聚力的c值,土工格栅与土摩擦形成的复合材料改善和增强了力学与工程性能的原因以及土工格栅所起的作用。     

风成沙波纹的数值模拟及稳定性分析

本文基于颗粒的质量守恒原理,考虑了沙粒的跃移、溅移和蠕移运动,建立了风成沙波纹的非线性积分微分演化方程,并进而通过尺度变换得到了近似的微分方程。数值求解该微分方程,得到了与野外观测相一致的沙波纹斑图,同时再现了沙波纹生成、合并的非线性行为,为进一步风成地貌形成演化的理论分析提供了一种可行的数学物理方法。     

风沙流中不同粒径组沙粒的输沙量垂向分布实验研究

在非均匀沙床面上, 风沙流中不同粒径组沙粒的输沙量垂向分布, 是非均匀风沙运动研究的重点。研究首先通过风洞实验, 收集了风洞中垂线垂向输沙量分布沙样, 然后对集沙沙样进行了沙粒粒度分析实验, 实验分析结果得出了不同粒径组沙粒的输沙量垂向分布规律, 基于稳定平衡风沙跃移运动模型和本文实验结果, 最后数值模拟研究了不同粒径组沙粒输沙量垂向分布, 与沙粒起跳速度和角度之间的关系。本文研究结果得出, 在非均匀风沙流中, 粗粒径组沙粒垂向输沙量上部符合指数递减分布但近床面区偏离指数分布, 呈现为偏大型分布, 粗粒径组对应的沙粒起跳速度和角度分布均为指数函数; 细粒径组沙粒垂向输沙量在整 个高度上均符合指数递减规律, 细粒径组沙粒对应的起跳速度分布为指数函数, 起跳角度分布为高斯函数。沙粒的平均起跳速度, 在0.4u*~2.2u* 之间变化, 随着气流风速(u*) 和沙粒粒径的增加而减小。     

风成沙波纹数学模型综述

风成沙波纹是风力作用下地表形成的最基本的地貌类型。近年来,随着计算机技术的迅猛发展,风成沙波纹数值模拟研究越来越引起重视。本文简要介绍了风成沙波纹数学建模的理论基础,并将已有的风成沙波纹数学模型划分为3类,着重介绍了几个经典的风成沙波纹数学模型,详细列举了这些模型的假设条件和数学表达,分析了他们的优缺点。目前,风成沙波纹数学建模的两个基本理论依据为:一个是地表坡度变化导致的蠕移沙通量的变化;另一个是跃移长度随沙床面高度变化的规律,但目前关于此理论的研究并不多。最后,总结和展望了这一领域的研究方向和前景。     

基于湍流结构的风沙颗粒起动动态演化的概念模式

从驱动沙粒群起动的湍流结构入手,提出了基于气固两相流自调节机制的风沙颗粒起动的概念模式。受风沙边界层湍流相干结构的产生、消亡、湍流的随机脉动和运动沙粒群碰撞过程的动量损失等因素的控制和影响,风沙两相流始终处于不平衡—平衡—不平衡的动态演化之中,在此过程中,存在着普通的空气动力学起动、典型的冲击起动、湍流猝发起动等多种起动方式的循环交替的动态演化。上述多种的沙粒起动方式能够根据风沙边界层边壁区的湍流运动应力和沙粒群碰撞过程的动量损失来界定。该概念模式需要综合利用相位多普勒粒子动态分析测速技术、粒子图像测速技术和高速数字摄影技术等手段来进一步验证。该概念模式的提出,将为深入理解沙粒起动的力学机制提供新的思路。     

流场中集沙仪集沙效率的数值模拟

 以管状集沙仪为例,数值模拟了它在风沙流结构中的流动特征以及集沙效率。为了使模拟更加符合真实情况,对计算区域的网格进行加密,计算了集沙仪周围的风场,并分析了网格划分对计算结果的影响。通过分析计算结果,讨论了不同薄膜渗透率对集沙仪周围风场流动特征的影响,以及不同渗透率下不同粒径沙粒的轨迹以及集沙效率。在模拟集沙效率时发现集沙仪薄膜的渗透率是影响集沙效率的一个重要参数,通过分析结果,发现选择集沙仪薄膜的时候应选择渗透率,这样随着沙粒粒径的变化,集沙效率变化趋于稳定。有两个影响集沙效率的重要因素:粒径和集沙仪进口处的流线。当颗粒粒径相对较大的时候,惯性起主要作用,对于粒径大于200 μm的沙粒来说,集沙效率几乎都在90%;当颗粒粒径相对较小的时候,流线起主要作用。