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风沙跃移运动的数值模拟

作　者: 樊莉
导　师: 武生智
学　校: 兰州大学
专　业: 工程力学
关键词: 跃移输沙量风速廓线阻力系数非均匀沙粒径分布
分类号: O35
类　型: 硕士论文
年　份: 2011年
下　载: 49次
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内容摘要

风沙跃移是风沙流中沙粒的主要输移方式,在跃移层内沙粒大量聚集,颗粒间的相互作用及其复杂,目前还不能从微观的角度得到精准的颗粒间作用力、动量及能量交换情况。当前大多数对跃移颗粒的研究,采用单个圆球颗粒的阻力系数公式,没有考虑到当越来越多颗粒聚集起来时对阻力系数公式的影响。在荒漠里的天然沙中,沙粒形状复杂多样,粒径大小也各不相同,当粒径分布不同时,跃移运动也会不同。然而,目前大多数对风沙跃移的数值计算和实验研究致力于均匀沙的跃移。因此,准确刻画颗粒群体行为和对非均匀沙的跃移研究显得非常必要。为研究更加接近实际情况的跃移运动,并为实验研究提供一些理论分析和数值资料,本学位论文研究了颗粒群阻力效应和几种粒径分布对跃移运动的影响。研究内容包括：1.采用修正后的单球模型阻力系数公式改进了已有的风沙耦合模型,计算了跃移运动达到稳定状态时的风速廓线、输沙量及沙粒相体积分数。计算结果表明,考虑颗粒群阻力效应对风沙跃移的影响是必要的,用修正后的阻力系数公式计算所得的输沙量及沙粒相体积分数均大于相同高度处、不修正的相应值。另外,修正之后输沙量、沙粒相体积分数随摩阻风速增大而增大的定性关系并未改变,同时,随着摩阻风速的增大以相同速度起跳的颗粒跃移长度随之增大,其跃移高度有所降低。2.用数值计算的方法模拟了几种不同粒径分布方式相应的风沙跃移运动。分别计算了沙粒为单一粒径以及粒径数学期望为该值时的随机分布和均匀分布,共七种情况下的风沙跃移运动。计算结果表明,对于相同风速,气流对单一粒径组成的均匀沙的携带能力较弱,而对由多粒径组成的非均匀沙的携带能力较强。同时,沙粒粒径分布的不同导致当跃移运动达到稳定时,风沙流饱和层的高度和沙粒的跃移长度、高度均有所变化。

全文目录

中文摘要  4-5
Abstract  5-9
第一章绪论  9-15
  1.1 研究背景及意义  9-10
  1.2 研究现状与进展  10-14
    1.2.1 风沙物理学的发展  10-12
    1.2.2 风沙跃移研究简介及基本特征  12-13
    1.2.3 描述颗粒跃移运动的两种方法  13
    1.2.4 关于颗粒群阻力的研究现状  13
    1.2.5 关于非均匀沙跃移运动的研究现状  13-14
  1.3 本文主要内容简介  14-15
第二章风沙跃移运动的双耦合模型  15-19
  2.1 理论模型  15-17
    2.1.1 气流运动方程  15
    2.1.2 颗粒轨道方程  15-16
    2.1.3 气流边界条件  16-17
  2.2 颗粒垂直起跳的速度分布函数  17-19
第三章颗粒群阻力效应对跃移运动的影响  19-23
  3.1 沙粒相体积分数对阻力系数的修正  19
  3.2 数值算法  19-20
  3.3 计算结果与分析  20-22
  3.4 小结  22-23
第四章不同粒径分布对跃移运动的影响  23-30
  4.1 粒径分布  23
  4.2 数值算法  23
  4.3 计算结果及分析  23-29
    4.3.1 跃移运动位移的统计分析  24
    4.3.2 风沙流结构分析  24-29
  4.4 小结  29-30
第五章结论及展望  30-32
  5.1 主要结论  30
  5.2 展望  30-32
参考文献  32-35
在学期间的研究成果  35-36
致谢  36

风沙跃移运动的数值模拟

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