Experimental investigation of particle velocity distributions in windblown sand movement

With the PDPA(Phase Doppler Particle Analyzer) measurement technology,the probability distributions of particle impact and lift-off velocities on bed surface and the particle velocity distributions at different heights are detected in a wind tunnel. The results show that the probability distribution of impact and lift-off velocities of sand grains can be expressed by a log-normal function,and that of impact and lift-off angles complies with an exponential function. The mean impact angle is between 28° and 39°,and the mean lift-off angle ranges from 30° to 44°. The mean lift-off velocity is 0.81-0.9 times the mean impact velocity. The proportion of backward-impacting particles is 0.05-0.11,and that of backward-entrained particles ranges from 0.04 to 0.13. The probability distribution of particle horizontal velocity at 4 mm height is positive skew,the horizontal velocity of particles at 20 mm height varies widely,and the variation of the particle horizontal velocity at 80 mm height is less than that at 20 mm height. The probability distribution of particle vertical velocity at different heights can be described as a normal function.

风沙运动的DPM数值模拟

采用离散颗粒模型对风沙气固两相流动进行了数值计算．在该模型中,采用体平均的Navier-Stokes方程来描述气相的运动,对离散颗粒采用拉格朗日方法模拟,求解颗粒运动方程．采用硬球模型描述颗粒问碰撞作用．计算结果表明,沙粒平均水平速度廓线在0．02 m以上高度可以表示为按对数函数或幂函数规律增加,在0．02 m以下则发生偏离;在大于0．02 m的高度,输沙通量随高度按指数规律衰减,而在地面附近由于颗粒蠕移的影响发生偏离,这与已有文献结果一致。本文的模拟有助于风沙运动规律的研究与掌握。

稳态风沙流中沙粒体积浓度的模型分析

本文建立了一个简单有效的稳态风沙流中沙粒体积浓度的数学模型,包括3个部分:稳态风沙流的风速廓线描述、跃移沙粒轨迹的计算、床面沙粒起跳速度分布的描述。利用已知实验的风速廓线作为气流速度场输入参数,跃移沙粒轨迹的计算主要考虑重力和拖曳力,基于体积观点的床面起跳沙粒的水平速度和垂直速度概率密度分布函数分别采用正态分布和指数分布函数来描述。根据稳态风沙流中运动沙粒的动态平衡特征可推导计算沙粒体积浓度。计算的沙粒体积浓度与风洞实验结果基本一致,说明本模型有较好的预测能力。

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。

碰撞激起沙粒的起跳初速度分布函数

本文根据已有粒/床碰撞研究得出的基本定性结论以及组合论的基本原理,给出了风沙流中碰撞激起沙粒的起跳初速度分布函数,该函数服从瑞利分布的形式。以这一起跳初速度分布函数为基础建立风沙耦合跃移运动的基本模型,计算了单宽输沙率等风沙运动机理研究中普遍关心的物理量。将计算结果和已有实验结果对比分析表明,本文给出的起跳初速度分布函数是科学的,这对风沙流中沙粒起跳初速度分布函数给出了一个定性的认识。

风沙流中颗粒剪应力分析

分析了两种颗粒剪应力的定义,一种来自于颗粒黏性阻力,一种来自于颗粒相雷诺应力。通过建立三维风沙流离散颗粒模型,计算分析了这两种颗粒剪应力的差别。结果表明,除了近地面附近,这两种颗粒剪应力基本相等。而在近地面附近,来自于颗粒相雷诺应力的颗粒剪应力小于来自于颗粒黏性阻力的颗粒剪应力,这种差别的主要原因是由于在近地表而附近,颗粒碰撞会产生附加碰撞剪应力。