风沙运动问题的SPH-FVM耦合方法数值模拟研究

针对离散颗粒模型和欧拉-欧拉双流体模型在求解气粒两相流动问题中存在的不足,提出了一种新方法——SPH-FVM耦合方法,并应用于风沙运动过程的数值模拟计算.新方法基于拟流体模型,采用光滑粒子流体动力学方法(SPH)对离散颗粒相进行求解,追踪单颗粒运动轨迹,采用有限体积法(FVM)求解连续气体相,捕捉流场特性,两相间通过曳力、压力梯度、体积分数等参量进行耦合,建立了两种不同坐标系下方法间的耦合框架.对SPH粒子所承载的物质属性进行了重定义,改造成了适用于离散颗粒相求解的光滑离散颗粒流体动力学模型(SDPH),阐述了SPH粒子与离散相中颗粒之间的关系,推导得到了拟流体SPH离散方程组.模拟了风沙运动中沙粒跃移过程和自由来流风速作用下沙粒的运动过程以及沙丘在风力作用下缓慢向前蠕移的过程,分析了颗粒的运动轨迹,流场中沙粒水平速度分布规律以及气体速度场在沙粒反作用下的变化情况等,与实验结果相符合,结果表明该方法不仅精度较高,而且计算量较小,适于求解风沙运动问题乃至其他气粒两相流动问题.     

风沙运动的电场-流场耦合模型及气固两相流数值模拟

沙尘暴和尘卷风等风沙运动的静电场是空气流场中沙粒间的碰撞摩擦带电及沙粒粒径的分层效应引起的, 本文耦合沙粒摩擦荷电模型和风沙运动气固两相流模型, 提出了离散单元法与计算流体动力学结合的数值方法. 数值模拟计算表明电荷呈中性的沙粒临界直径为300 μm; 在充分发展的水平风沙流中, 细小的沙粒带负电, 较大直径的沙粒带正电, 所模拟的沙粒带电的荷质比及水平风洞试验段的电场强度与实验测量值一致, 验证了风沙运动的电场-流场耦合模型及数值计算方法的合理性. 本文基于沙粒摩擦荷电机理的风沙运动气固两相流模型提供了理解风沙运动静电场产生的一种物理机理.     

野外沙粒运动的高速频闪摄影研究

研究自然界中沙粒运动的微观状态,是防沙害工程中的一项基本课题。本文介绍了用高速频闪摄影在野外风沙流条件下,对沙粒运动的动态特性进行的摄影研究。 文中介绍了我们为适应野外条件而设计的专用实验装置及其实验方祛。从工程研究的角度出发,用统计方法对挑选出的172颗轨迹较为清晰完整的沙粒进行了分析,并将统计结果同室内风洞条件下的实验数据,以及常规的野外宏观测量结果作了比较。结果表明,这三项测量得到的有关沙粒运动的统计规律是一致的。     

野外沙粒运动高速频闪光摄影初探

研究自然界中沙粒运动的微观状态,是防沙害工程中的一项基础课题。本文报告了把高速频闪光摄影应用到野外风沙流条件下,首次进行的野外沙粒运动动态摄影实验。 文中介绍了我们为适应野外条件而设计的专用实验装置及其实验方法。从工程研究的角度出发,用统计方法,对挑选出的172颗轨迹较为清晰完整的沙粒进行分析;并将     

沙粒跃移模型及其数值分析

本文计算了近地面湍流边界层的速度分布。根据跃移运动的临界摩擦速度及湍流边界层的计算,给出了产生跃移运动的边界层范围,假定运动沙粒与静止沙粒的接触点上没有相互滑移运动,提出了旋转力矩是在跃移运动初始阶段由升力和粒子间相互作用力产生的,并计算了该力矩作用时间和大小。计算了跃移轨迹,得到了跃移的诸运动要素。与实验结果比较,在所考虑范围内,其结果是一致的。     

对风沙输运中起跳沙粒运动状态分布的讨论

本文用Lagrange方法结合起跳沙粒初始运动状态分布模拟了稳态风沙输运过程。根据已有的对地表沙粒撞击起跳现象的研究成果,列出四种典型的沙粒起跳初始运动状态分布形式。将在各分布形式下模拟得到的宏观量与风洞实验测量得到的宏观量的变化规律相比较,通过考察依据各分布形式所作数值模拟得到的风沙宏观运动的特征量与实验测量结果的一致程度,得到了其中较合理的分布形式。分析表明稳定风沙输运中起跳沙粒的初始速度和角度的分布曲线均应为一单调下降曲线,根据实验数据本文构造出由指数分布和正态分布组成的分段函数形式来描述这一曲线。并通过进一步的实验验证了这一分布形式的合理性。     

非均匀带电沙粒的电磁散射特性研究

基于瑞利近似推导了平面波入射下非均匀带电球形粒子的散射场及其散射截面,并通过数值仿真讨论了电荷非均匀分布对沙粒微分散射截面、散射效率的影响。数值结果表明:当沙粒表面电荷非均匀分布时,其微分散射截面呈明显空间分布,而电荷均匀分布时近似为各向同性散射;另外给定面电荷密度且电荷非均匀分布时带电沙粒散射效率远小于电荷均匀分布时的对应值,但在某些电荷分布角时恰好相反,随着沙粒带电量的增加其散射效率显著增加。由此说明在利用微波进行沙尘暴遥感或监测中需要同时考虑沙粒表面电荷分布规律及其携带电荷量的影响。     

不同沙粒底面下气泡脉动特性实验研究

通过高速摄影系统对电火花气泡与不同沙粒底面间的相互作用进行了实验研究,并改变气泡与沙粒底面之间的距离.实验结果表明:气泡在与沙粒底面的相互作用中会产生两种明显不同的现象,即形成与近刚性壁面类似的气泡射流以及“蘑菇状”气泡,“蘑菇状”气泡撕裂形成两个气泡,随后产生两个反方向的沿轴线方向的射流.沙粒底面边界具有刚性与弹性两种特征.另外,随着气泡与沙粒底面之间的距离d的增大,气泡脉动周期先增大然后减小,存在气泡脉动周期峰值.对于不同的沙粒底面边界,出现气泡脉动周期峰值的距离d随着沙底粒径的增大而越小.     

原子吸收光谱法研究自然沙粒对pb2+的吸附性能

通过扫描电镜(SEM)、静态氮吸附(NSA)和红外光谱(FTIR)法对塔卡拉玛干沙漠自然沙粒(简称沙粒)的粒状及其表面结构、比表面积和功能基团进行了分析,以FAAS作为检测手段,动态法研究了沙粒对pb2+的吸附性及其影响因素并优化了吸附条件;将沙粒作为填料制备了5.0 cm×5 mm i.d.预富集分离微柱,将其与FA...     

微型摆式发动机间隙内部流动数值分析

本文采用离散速度方向模型对微型摆式发动机摆臂与腔体间隙内的微尺度气体流动开展了数值研究,分析了摆臂运动对间隙内压差驱动下气体流动阻力和流量的影响规律,并探究了气体稀薄性对间隙泄漏规律的影响。研究发现,当摆臂运动方向与压降方向相同时,稀薄气体效应导致的速度滑移相对于气体流动阻力对流量的变化起主导作用;当摆臂运动方向与压降方向相反时,由于微尺度下壁面作用的增强,在边界附近出现气体回流,且在气流进出口处出现涡结构。     

轴流式涡流管内三维流场的大涡模拟

根据涡流管内可压缩气体的强旋转运动是导致涡流管能量分离的根本原因,提出了在涡流管内加入一个"X"型导流片迫使气流产生强旋转运动,使其进气方式变为轴流式。利用计算流体动力学(CFD)的方法,建立了轴流式和切流式涡流管内部气体流动的三维大涡数值模型,对其内部气流流场进行了数值模拟。数值模拟结果表明:"X"型导流片可以改变轴向进入气体的运动方向,使气体产生高速旋转运动,得出"X"型导流片的叶片夹角为θ=120°时,气体的旋转效果最好;大涡模拟可以较好地模拟涡流管内气流的三维流场。     

气体阻力的理论分析

本文利用气体分子碰撞理论，推导出了气体对运动物体的阻力与运动速度之间的关系。     

查甫雷金气体的超声速运动

一.引言 在本文中我们将对讨论查甫雷金气体的运动。如果气体之压力与体积度之间有一線性关系存在,我们就称这种气体为查甫雷金气体。查甫雷金气体在自然界中还不存在。     

微波在带电沙粒中的衰减效应

 根据沙粒的等效介电常数模型和Rayleigh近似下带电球形粒子的前向散射振幅函数,给出了对数分布模型下的带电沙尘粒子引起微波的衰减计算模型,并进行了分析和仿真计算。结果表明:带电沙粒比不带电沙粒对微波信号衰减的影响明显增大,带电沙粒所带表面电荷越集中,对微波的衰减影响越大;微波衰减随能见度的增大而减小;对于相同含水量,频率小于35 GHz时,沙尘对电磁波衰减的影响较小,频率大于35 GHz时,沙尘对电磁波的衰减影响增大。     

气体阻力的理论分析

本文利用气体分子碰撞理论，推导出了气体对运动物体的阻力与运动速度之间的关系     

利用反射太赫兹时域强度分布定量检测沙粒中的微量原油

原油污染是海洋生物和环境安全的主要威胁之一,检测近海沙粒中的微量原油对于环境保护和原油勘探有着重要意义.本文采用反射式太赫兹时域波形对近海沙粒中的原油进行定量检测,详细地分析了延迟时间与沙粒中的原油浓度的关系.结果表明,原油浓度与延迟时间呈线性递减关系,反射式太赫兹时域波形是一种具有潜力的污染定量检测方法.     

风沙稳定输运中起跳沙粒运动状态分布函数

本文用气固二相流模型模拟了风沙稳定输运过程。若起跳沙粒运动状态分布函数采用由实验得到的正态分布函数形式时,计算出的水平质量流量通量随高度的变化规律与实验结果不同。经深入分析,本文提出一新的起跳沙粒运动状态分布函数形式。其中初始起跳角的分布仍采用正态分布函数形式,而对初始起跳速度则采用指数函数和正态分布函数的分段函数形式。计算结果表明本文提出的起跳沙粒运动状态分布函数与实际情况吻合较好。     

气体分子运动论模拟演示器

气体分子运动论模拟演示器,用钢球代表气体分子,可以造成气体分子混乱运动模型,从而演示布朗运动、气体压强的统计意义、理想气体状态方程、实际气体状态方程、玻尔兹曼分布律等分子运动的规律,这在教学中具有一定意义。     

二不能压缩气体的分片合流运动

本文求出规定二不能压缩气体的分片合流运动时,速度与质量密度分布的微分方程式。假定两种气体的密度不同但温度则相等。不能压缩的定义是每单位体积中的两种气体分子数的和不变。本文只讨论一平面守恒注中所需要的微分方程式。粘滞流体运动中之边界近似法仍可应用。同样方法亦可用到守恒圆柱体注,半注及气体中温度不同诸问题。     

基于Boltzmann模型方程的气体运动论HPF并行算法

从修正的BGK-Blotzmann模型方程出发，引入离散速度坐标技术对气体分子速度分量进行离散降维，基于非定常时间分裂数值计算方法和无波动、无自由参数的NND耗散差分格式，发展直接求解气体分子速度分布函数的气体运动论有限差分数值格式，提出了一套能有效模拟各流域三维绕流问题的气体运动论统一算法，在分析研究气体运动论数值算法内在并行度的基础上，开展各流域三维绕流问题统一算法的HPF（高性能FORTRAN）并行化程度设计，建立一套能有效模拟各流域复杂外形体绕流的HPF并行算法软件，并进行了不同Knudsen(克努森）数下三维球体绕流及类“神舟号”返回舱外形体绕流的初步数值实验，将计算结果与过渡区有关实验数据及各流域气体绕流现象进行比较分析，证实了发展的气体运动论HPF并行算法在求解稀薄流到连续流不同流域复杂绕流问题方面的可行性。