戈壁风沙流若干特征研究

本文从理论推导入手，阐述了戈壁风沙流中沙粒起跃角度、跃移高度和风沙流结构、强度、能量分布状况等特征，指出与流沙地表风沙流的显著差异，并得到风洞实验验证。     

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。     

基于MATLAB图像处理算法的风沙两相流PIV图像的分割方法

为了深入理解沙粒起动的力学机制,需要从风洞实验中同步地获得风沙边界层中沙粒群和气流的瞬时速度信息。基于MATLAB平台的风沙两相流PIV图像分割的方法,利用沙粒群和气流示踪粒子特征粒径的显著差异,对风沙两相流PIV图像中的气固两相流进行图像分割,可分别获得沙粒群和气流示踪粒子的图像,并进一步对分离后的两相粒子按粒径进行分级分离,得到各级粒径粒子PIV图像,为进一步恢复气固两相流的流场奠定了基础。     

泥石流的结构两相流模型:Ⅱ.应用

本文应用泥石流的结构两相流模型对各类泥石流的运动机理进行探讨,并成功地解释了泥石流运动中的一系列特殊现象,如可能出现的颗粒浓度“上大下小”型分布、泥石流垂线速度的“反Ｓ”型分布、泥石流中颗粒脉动速度分布变化的特殊性、泥石流的输移特性以及在一定条件下出现的“流核”现象,等等。模型计算结果得到了实验资料的验证。     

斜插板挡沙墙设计参数优化数值模拟

本文基于FLUENT欧拉双流体非定常模型,对不同设计参数的斜插板挡沙墙周围风沙两相流运动特性进行了数值模拟。结果表明：挡沙墙透风率越小,积沙量越大,但沉积的沙堆越靠近挡沙墙,越容易被埋,透风率宜设计为25%～40%;插板倾角小于90°,背风侧沉沙区紧靠挡沙墙,大于90°,背风侧沉沙区与挡沙墙存在一定的距离;插板倾角在90°～135°时,大部分沙粒沉积在挡沙墙周围,防沙效果最佳,结合工程造价,倾角宜取110°～135°;背风侧有效影响范围区内,风速在水平方向与垂直方向风速轮廓线分别呈左“V”形分布与倒“S”形分布;风速一定时,背风侧空气动力有效阴影区范围随挡沙墙高度的增加而逐渐增大;挡沙墙高度一定时,背风侧沉沙区随风速的增大向下风向移动;挡沙墙高度越大,承受的风压越大,工程造价越高,综合考虑工程造价及防沙效果的基础上,挡沙墙高度建议采用1.5～2.0 m。     

二维气固两相后台阶流动的大涡模拟

采用大涡模拟、Smagorinsky亚格子应力模型及SIMPLER 算法,数值模拟了气固两相流体后台阶流动中各物理量的输运特性。首先,讨论了后台阶流动中分离涡旋结构和回流区长度随入口速度分布、台阶上游长度的变化情况;然后,用颗粒追踪法,计算了不同入流速度、不同粒径的颗粒在后台阶流场中的扩散行为。计算结果表明,选择抛物线型入口速度分布,能比较好地模拟真实的后台阶流动;在气固两相流动中,颗粒运动是气相涡旋和固相颗粒惯性共同作用的结果,随着颗粒粒径的增加,颗粒对气体涡旋的跟随性逐渐变弱,而其惯性特性表现得越来越显著。当大量颗粒由不同粒径组成时,颗粒的扩散将具有选择性,显示出多尺度耦合现象。所得结果有助于解释风成地貌形态的形成机理,也可以为风沙流风洞模拟实验设计提供一定的理论指导。