非稳态沙波纹流场的数值模拟

风成沙波纹是沙质地表在风力作用下形成的最基本的地貌类型.本文研究了沙波纹在形成过程中,风场对波纹的形态变化的响应.采用目前比较流行的有限体积法,通过求解非稳态情况下的Navier-Stokes方程来计算风场;地表形态采用阶梯网格进行逼近,为了对地表形态变化进行有效的控制,根据相关参数采用正弦函数作为沙波纹的基本形状;最后根据计算结果详细讨论了沙波纹从形成到稳定的发展过程中地表流场的行为变化特征.     

波纹壁对高超声速平板边界层稳定性的影响

高超声速边界层转捩会使飞行器表面热流和摩阻增加3～5倍,极大影响高超声速飞行器的性能.波纹壁作为一种可能的推迟边界层转捩的被动控制方法,具有较强的工程应用前景.文章研究了不同高度和安装位置的波纹壁对来流马赫数6.5的平板边界层稳定性的影响.采用直接数值模拟(DNS)得到层流场,并在上游分别引入不同频率的吹吸扰动以研究波纹壁对扰动演化的作用.对于不同位置的波纹壁,探究了其与同步点相对位置对其作用效果的影响,与相同工况下光滑平板的扰动演化结果进行了对比,发现当快慢模态同步点位于波纹壁上游时,波纹壁会对该频率的第二模态扰动起到抑制作用.当同步点位于波纹壁之中或者下游时,波纹壁对扰动的作用可能因为存在两种不同的机制而使得结果较为复杂.对于不同高度波纹壁,发现高度较低的波纹壁,其作用效果强弱与波纹壁高度成正相关,而更高的波纹壁则会减弱其作用效果.与DNS结果相比,线性稳定性理论可以定性预测波纹壁对高频吹吸扰动的作用,但在波纹壁附近的强非平行性区域误差较大.     

沙丘背风侧不同铁路结构形式对风沙环境的适应性分析

当铁路穿越大风沙漠地区时,风沙灾害会对铁路工程及其正常运营产生严重威胁,而设计一种合理的铁路结构形式能够减小风沙沉积对铁路工程的危害.在本文中,以敦煌至格尔木铁路沙山沟段落为研究对象,采用多相流的方法对越过沙丘的风沙运动过程进行数值模拟,分别讨论了风沙运动对位于沙丘背风坡的铁路路基工程和桥梁工程的影响.主要的模拟结果显示:路基工程明显降低了风速并且将沙丘后的回流区分成了两部分,而桥梁工程的导流效应则压缩了沙丘背风坡的回流区;轨道间的道碴增大了铁路表面的粗糙度,在轨道间有少量沙粒沉积,而路基工程两侧则有大量积沙;铁路表面的积沙量与摩阻风速呈现出非线性关系,随着摩阻风速的增大,路基工程沙粒沉积的增加速度大于风蚀能力的增加速度,而桥梁工程则正好相反.在防止风沙危害铁路方面,设置桥梁工程明显优于路基工程.本研究为风沙运动对铁路工程的影响提供了理论支持,也为今后的铁路工程设计提供了新的思路与研究工具.     

沙丘背风侧不同铁路结构形式对风沙环境的适应性分析

当铁路穿越大风沙漠地区时,风沙灾害会对铁路工程及其正常运营产生严重威胁,而设计一种合理的铁路结构形式能够减小风沙沉积对铁路工程的危害. 在本文中,以敦煌至格尔木铁路沙山沟段落为研究对象,采用多相流的方法对越过沙丘的风沙运动过程进行数值模拟,分别讨论了风沙运动对位于沙丘背风坡的铁路路基工程和桥梁工程的影响. 主要的模拟结果显示:路基工程明显降低了风速并且将沙丘后的回流区分成了两部分,而桥梁工程的导流效应则压缩了沙丘背风坡的回流区;轨道间的道碴增大了铁路表面的粗糙度,在轨道间有少量沙粒沉积,而路基工程两侧则有大量积沙;铁路表面的积沙量与摩阻风速呈现出非线性关系,随着摩阻风速的增大,路基工程沙粒沉积的增加速度大于风蚀能力的增加速度,而桥梁工程则正好相反. 在防止风沙危害铁路方面,设置桥梁工程明显优于路基工程. 本研究为风沙运动对铁路工程的影响提供了理论支持,也为今后的铁路工程设计提供了新的思路与研究工具.      

复杂地形下的近地层风沙运动模拟

本文利用FLUENT软件模拟了奇华胡安沙漠复杂微地形的流场,发现风速模拟精度优于QUIC软件的结果.为了进一步研究复杂地形下的沙粒运动规律,在甘肃民勤某沙丘迎风面上测量了脉动风速、输沙强度和输沙量,并模拟计算了沙丘风场、沙丘不同位置处的单宽输沙率及输沙量,结果表明沿着沙丘基线的输沙率从沙丘的右角开始逐渐增加,在沙丘纵剖面与丘基线的交点处达到最大,而后又逐渐减小.     

起始攻角附近三角翼涡破裂的演化特性研究

用数值方法求解N-S方程,并用"业迭代"方法保证时间方向二阶精度,数值模拟了75°后掠三角翼非定常绕流,给出了详细的涡破裂起始攻角附近涡破裂的形成、发展和演化过程.涡破裂从开始的螺旋破裂变为向泡状破裂演化的"过渡态",然后发展到泡状破裂,再由泡状破裂变为向螺旋破裂演化的"过渡态",最终发展到典型的螺旋破裂形态.从计算结果中还发现,当泡状破裂形成后破裂点前移速度明显减慢,同时当从泡状破裂向螺旋破裂演变时,破裂点出现后移现象.可从最近相关的实验和数值模拟结果中发现这些现象的存在.     

岩石变形演化诱致灾变破坏过程的同步实验观测

将试样变形场演化特征与试样的宏观载荷位移曲线的演化特征结合起来研究是揭示非均匀脆性介质变形演化诱致灾变破坏的一个重要途径.本文发展了一套实验系统,通过对试样表面变形场的演化、宏观载荷和位移信号的同步观测,对单轴加载下岩石试样变形演化和灾变破坏的过程进行了实验研究.揭示了试样变形场由加载初期的随机涨落到灾变破坏前出现明显的变形局部化的演化特征现象,试样最终在变形局部化区内形成宏观破裂面.     

考虑滚道波纹度的推力球轴承油膜的测量与计算

使用能够模拟推力球轴承工作的光干涉油膜测量系统,在静态时基于Hertz接触理论测量得到了该轴承座圈滚道的波纹度变化,并测量了轴承工作一周的油膜变化情况.依据试验参数进行了钢球与玻璃盘接触以及钢球与座圈滚道接触的弹性流体动压润滑（EHL）数值分析.试验和理论分析均较好地验证了表面波纹度对润滑状态的影响,发现推力球轴承运动时油膜的变化和滚道的表面波纹度密切相关.     

冲蚀与气蚀复合磨损试验研究

通过改造MCF-30型冲蚀腐蚀试验机,建立了水、沙、气三相流冲蚀磨损试验装置;试验研究了水、沙混合流场中试样的磨损特征,通过扫描电子显微镜观测了三相流冲蚀磨损表面,并借助计算机模拟分析水、沙混合条件下产生气蚀破坏的条件.结果表明:合理的设计可以实现冲蚀与气蚀的复合磨损模拟试验;形成三相流共同作用下的冲蚀与气蚀复合磨损重要条件为介质中含有较多气体,并且在试样中有气泡溃灭.三相流磨损模拟试验与仿真为进一步开展三相流气蚀与冲蚀磨损研究奠定了基础.     

填料粒径对Cu/PTFE复合材料摩擦学性能影响的数值模拟

利用离散元方法对Cu/PTFE复合材料与45钢摩擦副建立滑动摩擦模型,重点探讨了填充质量一定时,Cu颗粒粒径对Cu/PTFE复合材料摩擦磨损性能的影响.模拟结果表明:Cu/PTFE复合材料与45钢滑动摩擦过程中,在45钢表面形成一层转移颗粒层,转移颗粒层的形成可以降低PTFE基复合材料的磨损;随着Cu粒径的增大,摩擦转移量呈增加趋势,说明一定范围内,较大粒径的Cu填充PTFE基复合材料更加有利于转移颗粒层的形成;滑动摩擦系数随着Cu粒径的增大呈减小趋势;PTFE基复合材料的磨损量、磨损率均随Cu粒径的增大先增加后减小.     

基于颗粒离散元的沙纹演变大涡模拟研究

应用大涡模拟、"点球" 浸入边界法和基于"事件驱动" 模型和"弹簧-阻尼" 模型的颗粒离散元法, 数值模拟了明渠湍流中沙纹的演变. 通过对不同谢尔兹数下无沙纹床面的推移质输沙率进行计算, 并与经典输沙率公式进行对比, 验证了模型的精度和可靠性. 随后, 对明渠湍流中沙纹床面的演变过程进行了数值模拟, 计算了有沙纹床面的推移质输沙率、沙纹长度和高度、等效床面高度的最大值、最小值和平均值、沙纹形状阻力、体积流速随时间的变化曲线. 研究发现:初始平整的床面在较短的时间内(tU_b=h≈100) 发展出数条沙纹, 随后沙纹逐渐发展, 在tU_b=h为1 600~2 000 时, 沙纹发生合并. 在沙纹数量不变的条件下, 沙纹高度随时间近似呈线性增长, 而沙纹的长度的平均值却保持恒定. 随着沙纹高度的增大, 输沙率和体积流速逐渐降低, 沙纹形状阻力则逐渐增大;当沙纹发生合并时, 沙纹高度快速增加, 输沙率、体积流速和沙纹形状阻力也出现了大幅跳跃. 在同等的水流强度条件下, 有沙纹床面的输沙率小于平整床面的输沙率.      

The loss of stability of laminar flow in open channel and the mechanism of sand ripple formation

ＩｎｔｒｏｄｕｃｔｉｏｎＤｕｒｉｎｇｔｈｅｔｉｍｅｏｆｂｅｄｓｕｒｆａｃｅｓｅｄｉｍｅｎｔｔｒａｎｓｐｏｒｔａｔｉｏｎ,ｓｅｄｉｍｅｎｔｐａｒｔｉｃｌｅｓｏｆｂｅｄｌｏａｄｍａｋｅｔｈｅｃｏｌｌｅｃｔｉｖｅｍｏｔｉｏｎｏｆｖａｒｉｏｕｓｄｉｆｆｅｒｅｎｔｆｏｒｍｓｏｎｔｈｅｒｉｖｅｒｂｅｄｓｕｒｆａｃｅ,ｔｈｕｓｔｈｅｆｏｒｍｏｆｂｅｄｓｕｒｆａｃｅｃｈａｎｇｅｓｃｏｎｓｔａｎｔｌｙ .Ｔｈｉｓｋｉｎｄｏｆｃｏｌｌｅｃｔｉｖｅｍｏｔｉｏｎｏｆｓｅｄｉｍｅｎｔｐａｒｔｉｃｌｅｓｏｎｔｈｅｂｅｄｓｕｒｆ…     

Migrating sea ripples

Ripple formation under sea waves is investigated by means of a linear stability analysis of a flat sandy bottom subject to the viscous flow which is present in the boundary layer at the bottom of propagating sea waves. Nonlinear terms in the momentum equation are retained to account for the presence of a steady drift. Hence the work by Blondeaux is extended by considering steeper waves and/or less deep waters. Second order effects in the sea wave steepness are found to cause neither destabilizing nor stabilizing effects on the process of ripple formation. However, because of the presence of a steady velocity component in the direction of wave propagation, ripples are found to migrate at a constant rate which is predicted as function of sediment and wave characteristics. The analysis assumes the flow regime in the bottom boundary layer to be laminar and the results are significant for ripples at the initial stage of their formation or for mature ripples of small amplitude (rolling-grain ripples). A comparison of the theoretical findings with laboratory experiments supports the reliability of the approach and of the theoretical results.     

An experimental study on tsunami inundation over complex coastal topography

In recent studies, the effects of complex costal topography on tsunami run-up has sparked heated discussion. This study mainly aims at investigating the effects of complex costal topography on the tsunami inundation distance and the effectiveness of sand dunes in dissipating tsunami wave energy. The experiments were carried out in a wave flume to investigate the potential reduction effects of wave run-up by non erodible sand dune like features. The results show that increasing dunes spacing could not significantly affect inundation distance. However, if the height of sand dunes is of the same order of magnitude as the incoming tsunami wave and the gaps between the dunes are large enough, successful tsunami mitigation could also be possible.     

“Barchan” dunes in the labDunes de type « Barchanes » au laboratoire

We demonstrate the feasibility of studying dunes in a laboratory experiment. It is shown that an initial sand pile, under a wind flow carrying sand, flattens and gets a shape recalling barchan dunes. An evolution law is proposed for the profile and the summit of the dune. The dune dynamics is shown to be shape invariant. The invariant shape, the “dune function” is isolated. To cite this article: O. Dauchot et al., C. R. Mecanique 330 (2002) 185–191.     

Cusped ripples at the plane surface of a viscous liquid

Summary We study the time-evolution of periodical ripples of a viscous liquid at the plane free surface under the action of a distant pure straining flow. We neglect inertial forces (Stokes flow) and include surface tension effects. The solutions for a contracting surface and constant strain rate show that the ripples may develop near-cusps during a stage of the evolution, though later the free surface inevitably asymptotically tends to a smooth plane with vanishing ripples due to the action of capillarity. We obtain the condition for cusp formation in this intermediate stage in terms of the initial capillary number and aspect ratio. If the capillary number is kept constant, the surface tends to shrink through a succession of self-similar trochoidal shapes, whose aspect ratio is given by the capillary number. Received 23 March 1998, accepted for publication 23 July 1998     

组合单元法在砂井地基有限元分析中的应用

针对砂井地基的平面应变有限元分析，本文首次将组合单元法引入到砂井地基的分析中，提出砂墙组合单元。该单元对常规等参元进行改进，在单元内部同时考虑砂井的涂抹作用和井阻作用，从而克服了常规有限元法在计算砂井地基时单元数和节点数过多的缺点。将砂墙组合单元加入USAP有限元计算软件，工程算例分析结果表明：与已有的各砂井地基的平面应变解答和荷兰的基础工程有限元分析软件PLAXIS相比，解答合理并有效地考虑砂井的涂抹作用和井阻作用；与常规有限元法相比，在保证计算精度的前提下，减少了可观的单元数和节点数，降低了计算的工作量。     

Shape effects of wheel grousers on traction performance on sandy terrain

This paper presents the effects of different wheel grouser shapes on the traction performance of a grouser wheel traveling on sandy terrain. Grouser wheels are locomotion gears that allow small and lightweight exploration rovers to traverse on the loose sand on extraterrestrial surfaces. Although various grouser shapes have been analyzed by some research groups, a more synthetic and direct comparison of possible grousers is required for practical applications. In this study, we developed a single wheel testbed and experimentally investigated the effects of four grouser shapes (parallel, slanted, V-shaped, and offset V-shaped) on the traction performance of linear movement on flat sand. The wheel slip, sinkage, traction and side force acting on the wheel axle, the wheel driving torque, and the efficiency of each wheel were examined. Thereafter, the effects on the lateral slope traversability of a small and lightweight four-wheeled rover with different grouser shapes were also examined. The traversability experiment demonstrated the vehicle mobility performance in order to contribute to the design optimization of rover systems. These experimental results and their comparisons suggested that, of the shapes studies herein, the slanted shape was the optimal grouser design for use in wheeled rovers on lunar and planetary soil.