沙粒跃移轨迹参数的统计研究

高速频闪摄影从实验技术上加强了对沙粒跃移运动及其参数的研究,但因拍摄沙粒的成像点不完整又存在局限性,用曲线拟合高速频闪摄影的跃移沙粒轨迹可以补足缺失的成像点。本文对高速摄影的沙粒轨迹进行曲线拟合,从拟合曲线反求出沙粒的起跳角θ0、上升段跃高H1、上升段跃距L1、沉降角θt、下降段跃高H2、下降段跃距L2,并对各参数进行统计分析,得出各参数间的函数关系式,为进一步研究颗粒跃移运动过程提供基础。

带电沙粒的跃移云数值模型

给出吹过无限大平坦沙面的稳定风场中风、跃移沙粒及静电力相互耦合的方程 ,并用简化的沙粒——床面碰撞模型求解了方程 .计算结果表明静电力对沙粒跃移轨道及贴地风速有强烈影响 ,当跃移沙粒的带电量为 - 6 0 μC/ kg时 。

跃移层中沙粒浓度分布特征的研究

对于不同的沙粒起跳初速度分布函数 ,利用数值方法模拟了沙粒浓度沿高程的分布规律 ,发现风沙流强度沿高程具有“递增 -饱和 -衰减”的按层分布的规律 .进一步详细研究了影响风沙流结构的主要因素 ,如风速分布、地表粗糙度、沙粒粒径等对风沙流结构的影响方式和规律 .

气流中跃移颗粒的受力分析

气流中颗粒跃移过程中的受力分析及其运动机理的研究在发展风沙物理学理论方面具有重要的意义。长期以来，受实验条件和实验手段的限制，关于此方面的认识还不统一。采用高速频闪摄影技术，在计算跃移颗粒各运动参数的基础上，反推出跃移颗粒的阻力系数和升力系数，并将颗粒所受的阻力、升力和重力进行了比较。结果表明，阻力最重要，重力次之，升力也不可忽略，它占重力的２０ ％ 以上。利用数值计算方法，得出了颗粒的跃移运动轨迹，与实测资料基本一致。

风沙两相流跃移层中沙粒相的速度分布

从单个跃移沙粒在气流中的运动方程出发导出了风沙两相流中沙粒相速度分布函数的Ｂｏｌｔｚｍａｎｎ方程．对风沙流研究中几种不同的分布函数及其相应的统计平均值等基本概念给出了严密的数学定义，指出了不同分布函数之间的区别和联系．在略去铅垂方向空气阻力的情况下，给出了沙粒相速度分布函数沿铅垂方向的边缘分布，作为风沙流中跃移理论的主要基础之一．利用结果对前人在风沙流研究中发现的某些重要规律和现象进行了解释．

风沙流中颗粒跃移研究的某些进展与问题

风沙流研究是风沙物理学的主要内容，研究方法上大致分宏观和微观研究两个方面。宏观研究着眼于风沙流的整体结构和动力学过程，微观研究侧重于单一颗粒的运动状态。宏观和微观研究相结合是解决风沙物理学中一系列问题的一条合理路线。但长期以来，由于在颗粒运动机理研究方面进展缓慢且不成熟，对联系宏观和微观研究的纽带——起跳粒子的运动状态分布的重要性认识不够，造成风沙流宏观研究和微观研究的严重脱节。本文综述国内外在这两方面的研究历史和现状，指出了现存问题和解决途径，并对风沙物理学的发展方向提出了一些建议。

泥沙颗粒跃移运动机理

水流中泥沙颗粒的跳跃运动是推移质运动的重要形式,根据泥沙颗粒运动过程的受力分析,建立了忽略颗粒旋转和紊动影响的泥沙颗粒跃移运动模型,并采用数值计算方法,求解了跃移运动方程,得到了跃移运动参数(跃移长度、跃移高度、跃移速度)的统计特性,所得结论与实验资料吻合较好;通过对数值计算结果回归分析,得到了跃移运动参数以及输沙率的数学表达式,对于了解推移质运动机理有重要的意义.

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。

跃移雪颗粒运动特性的数值模拟研究

运用拉格朗日方法,根据雪颗粒的运动机理,对单个跃移颗粒运行轨迹进行了数值计算.同时,结合颗粒的受力特征,对影响其运动的一些参数,如粒子直径、摩擦速度和颗粒密度等进行了分析.结果表明,随着雪颗粒直径或雪粒密度的增大,粒子竖向受力与重力之比减小,粒子的跃移高度则随之增大;而当粒子起跳速度不同时,水平方向受力与重力之比的变化规律也表现不同,进而影响其水平方向的跃移长度.基于经验公式,建立了雪面侵蚀质量通量与跃移粒子数目之间的关系,计算了雪颗粒质量传输率,并与经典文献的计算方法进行了比较.结果显示,随着雪颗粒直径和摩擦速度的增大,粒子质量传输率随之增大;随着阈值摩擦速度增大,粒子质量传输率随之减小.所得计算结果与Iversen经验公式吻合较好.

跃移沙粒起跳垂直速度分布函数的统计分析

利用测量近地层的跃移沙粒运动所得到的实验数据对沙粒起跳垂直速度分布函数进行了统计分析,从理论上对已有沙粒起跳垂直速度分布函数形式进行了非参数检验,提出了跃移沙粒起跳垂直速度分布函数服从Weibull分布的结论,最后给出了不同分布对实验数据的拟合结果,进一步表明了统计结论的正确性。

风沙跃移运动中的Magnus效应

给出了计及 Magnus效应的风—沙耦合跃移运动模型 ,计算了当风沙流达到自平衡状态后 Magnus效应对贴地风速廓线、沙粒跃移轨迹的影响 ,指出在 Magnus效应影响下 ,沙粒跃移运动对风速廓线的影响类似于粗糙床面对沙粒跃移的影响 ,其粗糙度约为沙粒跃移高度的 0 .8倍 .

风沙跃移运动发展过程及静电力影响的数值模拟

建立了描述风沙跃移运动发展过程以及风场-沙粒互馈机制的风沙跃移运动数值模型,模型中考虑了风场-沙粒之间的耦合作用以及静电力的影响,同时风场是随时间变化的．模拟了风沙跃移运动从起始阶段至风沙流达到自平衡状态的整个发展过程所需的时间,起沙率与单宽输沙率随时间变化曲线,以及达到稳定后的单位面积输沙率沿高度分布以及贴地风速廓线的影响．计算结果表明,当沙粒平均带电量为60μC／kg时,计算所得的单宽输沙率以及输沙率沿高度分布与实验结果吻合得较好．

形状因素对风沙跃移影响的数值研究

目的研究沙粒形状因素对沙粒跃移的影响。方法采用两类形状系数对阻力系数加以修正,进行了沙粒跃移的数值模拟。结果获得了形状系数修正后的模拟结果,并对比分析了其与采用球形假设的模拟结果以及真实沙粒跃移轨迹的高速摄影实验结果之间的差异。结论沙粒形状因素对沙粒跃移的影响是不能忽略的。当粒径>160μm时,两种修正方法得到的计算结果与实验轨迹基本一致,而当粒径≤160μm时,采用基于颗粒阻力的形状系数,将沙粒转化为球形的修正方法得到结果更接近实际。

跃移沙粒运动参数的数字图像分析

采用高速相机记录了大气边界层风洞中的沙粒跃移运动,并对所获取的跃移图像序列运用双向粒子追踪算法对帧间沙粒进行匹配,从中提取出准确的跃移轨迹.对跃移沙粒位置函数进行基于时间自变量的曲线拟合及求导来计算运动参数,结果表明,与传统方法及降频差分法相比,拟合-求导法能更好地克服数据波动性大、端点数据损失及时间分辨率低等问题,在单颗粒连续性运动量化分析中更具实际意义.结合拟合-求导法和简化受力模型,计算得出了真实跃移过程中阻力加速度的变化以及广义升力在来流方向的作用方式.

水流中颗粒跃移参数的试验研究

水流中颗粒的跃移是推移质运动的主要形式。本文作者采用高速摄影技术,对颗粒的跃移运动进行了系统的测量,全面地分析了跃移颗粒的受力情况(包括阻力系数、升力系数的变化,各力的大小比较等),在此基础上,采用数值计算的方法,求解了颗粒跃移运动方程,其结果同实测资料基本上一致。为实用起见,根据实测资料进一步分析了跃移参数(跃移长度、跃移高度和跃移速度等)随相对水流强度参数的变化规律。这对于了解推移质运动机理及进行推移质输沙率研究有着重要的意义。

沙粒跃移云及Magnus力对床面有效粗糙度的影响

建立了考虑Magnus效应的、吹过平坦沙面的稳定风场中风与跃移沙粒相互耦合的风沙跃移云模型,并通过数值模拟研究了风沙跃移运动对床面粗糙度的影响。结果表明,跃移沙粒对风速的影响类似于床面粗糙度的影响,有效粗糙度随摩阻速度的变化关系可用二次函数表征;Magnus力对有效粗糙度有明显的影响,但这种影响并不改变有效粗糙度与摩阻风速之间的二次函数关系。

地表温度对颗粒跃移轨迹的影响

为了研究由地表温度变化引起的向上的垂向气流对沙粒跃移运动的影响,本文给出了考虑近地表温度变化和水平来流风场作用下的沙粒的跃移运动。在定量给出不同时刻的近地表温度和垂向风速的基础上,计算了由于太阳辐射所引起的近地表层垂向气流对沙粒跃移运动的影响,发现:垂向风速在午后可达到1.5m/s并使得沙粒跃移轨迹的最大高度和长度分别增加55.56%和73.68%;同时,与不考虑温度效应的情况不同的是,沙粒跃移轨道最大高度将随粒径变化。

风沙跃移轨迹的DPM数值模拟

对风沙跃移运动采用离散模型进行数值计算,对沙粒相采用离散相模型(DPM模型),研究沙粒在跃移运动过程中的运动轨迹与摩阻风速及粒径大小的关系。模拟结果表明:随摩阻风速的增大,跃移轨迹高度逐渐降低,跃移轨迹长度逐渐增长;随沙粒粒径的增大,跃移轨迹高度逐渐增大,跃移轨迹长度逐渐缩短;跃移轨迹长度与跃移轨迹高度的比值(L/H)随摩阻风速的增大而增大,呈对数关系,随沙粒粒径的增大而减小,呈幂函数关系。

稳定流场条件下土壤颗粒跃移运动的力学特性

针对土壤风蚀所导致的土地沙化,其关键问题是微观机理研究中运动颗粒的受力,该文通过建立气流-土壤颗粒耦合作用的稳态两相流模型,对土壤颗粒跃移运动受到的不同作用力进行了数值计算和理论分析,计算结果表明:拖曳力与重力之比大约在2～20之间,而Magnus力、Saffman力和电场力与重力之比仅在0～0.5之间。同一流场以同一速度起跳的土壤颗粒,重力和拖曳力起主要作用,Magnus力和静电力的影响较大,Saffman力影响最小,几乎可忽略。从土壤颗粒的跃移运动轨迹比较发现,该模型计算结果与试验观测结果趋势一致,但不同力作用下的差别不同,其中在重力、拖曳力和Magnus力作用下的土壤颗粒运动与试验观测误差最小,充分说明了该模型的合理性。此研究对农田种植垄间距、留茬高度、翻耕土壤粒度等保护性耕作措施提供依据。

沙粒跃移运动的动理学模拟

目前,风沙跃移运动的数值研究主要以拉格朗日方法为主,然而,拉格朗日方法对计算机硬件的高要求以及相对较低的运算效率不适合于求解大量颗粒的复杂碰撞运动。本文采用连续介质观点,将沙相作为拟流体处理,在动理学理论的基础上建立了气-沙两相流动的数学模型,采用Tu & Flecher提出的边界条件处理跃移沙粒在沙床面上的动量变化,对平壁边界层中的风沙运动进行了模拟,得到了风速沿高程对数分布和输沙率沿高程指数衰减的合理分布,说明动理学理论适用于处理存在复杂碰撞作用的风沙运动。本文的工作是风沙运动数值模型发展的一次有意义的尝试。