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。     

风沙运动的沙粒带电机理及其影响的研究进展

土壤风蚀以及沙尘暴是人类面临的重大自然环境灾害之一,它直接关系着人类的生存环境和生活质量.许多国家和政府以及科学家们对此一直十分关注并开展了大量研究.由于大气和地表条件的多样性以及地表沙粒的运动与风场作用的相互耦合,导致风沙运动问题研究的复杂性.除此之外,伴随着对风沙运动机理的研究和对沙尘暴的观测,人们发现在风沙跃移运动和沙尘暴中的沙粒带有电荷并形成风沙电场.沙粒的运动不仅导致沙粒带电和风沙电场形成,而且也直接受到沙粒带电和风沙电场的影响.为了弄清风沙电的起因以及揭示其影响规律,研究人员对此进行了野外观测、实验室测量和理论推测等.本文将就这一问题重点介绍有关风沙运动中沙粒带电的机理、风沙电场分布规律、沙粒带电对风沙运动的微宏观物理量以及沙尘暴中沙粒带电对电磁波散射的影响等方面的实验和理论研究的基本概况和进展以及作者等人在此方面的研究工作.主要包含内容有:沙粒带电及其电场的基本实验测量,粒带电对风沙运动的影响,沙尘暴对电磁波衰减的影响研究以及有关风沙起电的机理研究等.同时,对这一研究领域中目前关注与存在的主要问题给予评述.图6参81      

关于跃移沙破坏生物结皮时的临界速度的理论分析

利用经典的弹性薄板与塑性理论探讨了生物结皮在单颗跃移沙粒碰撞作用下的破坏问 题,建立了一个联结跃移沙粒的临界撞击速度和结皮性质的解析关系式. 种类、数量、发展 阶段等生物效应主要通过结皮的杨氏模量、Possion比、屈服应力等宏观参量引入. 结果表 明,刚度大、强度低的生物结皮更容易被跃移沙粒所破坏. 给出的关系式将有助于进一 步研究风沙运动和结皮之间的相互作用.     

沙粒起动风速研究

在风沙流实验中,发展了设陷井捕集蠕移沙粒的方法来测量各种来流条件下的蠕移沙量,再外推得到流体起动风速,试验表明粗糙度不同的沙平面的流体起动风速相同,中还给出实验段轴线风速与野外来流摩阻速度之间的对应关系。     

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一沙粒互馈机制的风沙跃移运动数值模型，模型中考虑了风场一沙粒之间酌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．     

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。     

NUMERICAL SIMULATION OF WIND-BLOWN SAND MOVEMENT BASED ON SPH

运用光滑粒子流体动力学(smoothed particles hydrodynamics, SPH)方法对沙粒和气流的相互耦合运动特性进行了分析,研究提出了风沙流的SPH数值方法并进行了数值模拟. 首先提出了风沙流的SPH建模方法和基本理论,建立了风沙流动的SPH数值模拟平台. 其次通过建立风沙流的SPH 模型并施加边界条件,对自然风作用下沙粒的运动情况进行了数值模拟,详细分析了沙粒运动轨迹及特性,最后通过与相关研究成果对比分析,验证了完善后的SPH方法有效性. 通过考虑气流场的可变性,在风沙流SPH计算模型中引入了加载(起风)和卸载(停风)方式,观察并对比分析了沙粒的运动轨迹和特性. 为进一步研究风沙流的实时动态非线性行为提供了SPH理论基础和数值分析方法.     

一种改进的高浓度风沙图像的动态灰度阈值分割算法

风沙跃移是塑造干旱区地貌的最主要的动力,其伴生的粉尘的释放、输送和沉降不但严重地影响了大气环境质量,也引起了全球气候 系统和海洋系统的变化. 单个沙粒轨迹形成是理解粒--床碰撞过程和风沙两相流耦合过程的重要纽带. 高浓度风沙图像处理算法是深入理解沙粒轨迹形成机制的关键技术. 为了实现对高浓度风沙图像精细处理, 本文提出了不依赖于经验参数的动态灰度阈值分割算法,它包括背景模板去噪、绿光通道灰度化处理、图像微分、灰度方差阈值目标检测和 最大类间方差灰度阈值分割等,其中背景模板去噪和灰度方差阈值目标检测等是新算法的主要亮点. 高浓度风沙图像分割实验显示, 扣减背景模板去除了条纹状和斑点状的稳定噪声;图像微分和灰度方差阈值目标检测显著地提高了暗沙粒识别的数量并有效地去除了随机噪声; 改进算法的沙粒有效识别个数(人 机判读坐标一致的沙粒数目)、查全率(计算机提取沙粒数目与人工判读的实际沙粒数比值)和查准率(有效沙粒数目与实际沙粒数目的比值) 分别为461, 71%和86%,显著地高于传统算法对应的85, 13%和82%,这表明新算法对高浓度风沙图像的分割效果良好. 避免单粒子分割和表观重叠问题是进一步完善高浓度风沙图像的分割算法的可能途径.      

风沙两相流测量技术研究进展

围绕风沙两相流的测量, 归纳了过去几十年来在风沙动力学研究中所使用的风速测量技术和输沙率测量装置.着重讨论了高频测量在目前风沙动力学研究中的必要性, 分析了传统风速和输沙率测量装置的优缺点.对新一代光学测量技术------PIV在风沙两相流测量中的应用进行了较为详细的探讨.指出PIV测速技术在风沙两相流研究中具有广泛的应用前景, 使用PIV测速技术可以得到风沙流结构、两相速度场等宏观信息, 同时也可以进行单个颗粒运动状态的研究.      

一种改进的高浓度风沙图像的动态灰度阈值分割算法

风沙跃移是塑造干旱区地貌的最主要的动力,其伴生的粉尘的释放、输送和沉降不但严重地影响了大气环境质量,也引起了全球气候系统和海洋系统的变化.单个沙粒轨迹形成是理解粒-床碰撞过程和风沙两相流耦合过程的重要纽带.高浓度风沙图像处理算法是深入理解沙粒轨迹形成机制的关键技术.为了实现对高浓度风沙图像精细处理,本文提出了不依赖于经验参数的动态灰度阈值分割算法,它包括背景模板去噪、绿光通道灰度化处理、图像微分、灰度方差阈值目标检测和最大类间方差灰度阈值分割等,其中背景模板去噪和灰度方差阈值目标检测等是新算法的主要亮点.高浓度风沙图像分割实验显示,扣减背景模板去除了条纹状和斑点状的稳定噪声;图像微分和灰度方差阈值目标检测显著地提高了暗沙粒识别的数量并有效地去除了随机噪声;改进算法的沙粒有效识别个数(人机判读坐标一致的沙粒数目)、查全率(计算机提取沙粒数目与人工判读的实际沙粒数比值)和查准率(有效沙粒数目与实际沙粒数目的比值)分别为461,71%和86%,显著地高于传统算法对应的85,13%和82%,这表明新算法对高浓度风沙图像的分割效果良好.避免单粒子分割和表观重叠问题是进一步完善高浓度风沙图像的分割算法的可能途径.     

圆柱周围湍流和含沙多相流的SPH数值模拟

湍流和多相流是流体力学中最具挑战性的两个主题，湍流多相流的实验和数值模拟更是一项艰巨的挑战。此外，对颗粒干沉积方面的多相流、多尺度、多物理耦合特征的风沙流的综合实地观测仍然很少。因此，本文综合考虑湍流、多相流与多物理耦合等方面，采用以圆柱为干扰物产生对流涡流的强制干扰技术，以塔克拉玛干沙漠地带中和田至若羌铁路的过沙桥桥墩为研究背景。为摆脱有限元软件中由网格大变形或失真引起的各种问题，采用SPH方法的宏观界面追踪和微观单点追踪相结合的方式，初步揭示了以单相对流涡流为风场背景的含沙多相流环境下的圆柱周围复杂的流场变化以及对颗粒干沉积运动的影响。采用数值模拟与现场实验相结合的方式，着重对计算域边界壁面和圆柱壁面对空气单相流中对流涡流的成形运动及其特征分析、两相流中对流涡流在圆柱周围的夹沙运动模拟及其特性分析、两相流中对流涡流的夹沙率以及边界壁湍流对沙粒干沉积效率展开分析研究。     

风沙两相流PIV测量算法研究

在风沙两相流图像特征的基础上，提出了一种基于模式识别动态聚类方法中$K$-均值 算法的数字面具(Digital Mask)自动生成算法来求解风沙两相流动. 简化了传统生成Digital Mask过程中手动设置参数的操作，减少了人为误差，为批量处理风沙两相流PIV图像提供 了一种安全快捷的方法. 并将该算法应用于风沙两相流的PIV实际测量，分别得到了不同流 动状态下的气流、沙粒以及风沙气固两相流的速度场.     

Prediction of high frequency gust response with airfoil thickness effects

The unsteady lift forces that act on an airfoil in turbulent flow are an undesirable source of vibration and noise in many industrial applications. Methods to predict these forces have traditionally treated the airfoil as a flat plate. At higher frequencies, where the relevant turbulent length scales are comparable to the airfoil thickness, the flat plate approximation becomes invalid and results in overprediction of the unsteady force spectrum. This work provides an improved methodology for the prediction of the unsteady lift forces that accounts for the thickness of the airfoil. An analytical model was developed to calculate the response of the airfoil to high frequency gusts. The approach is based on a time-domain calculation with a sharp-edged gust and accounts for the distortion of the gust by the mean flow around the airfoil leading edge. The unsteady lift is calculated from a weighted integration of the gust vorticity, which makes the model relatively straightforward to implement and verify. For routine design calculations of turbulence-induced forces, a closed-form gust response thickness correction factor was developed for NACA 65 series airfoils.     

Aerodynamic external pressure loads on a semi-circular bluff body under wind gusts

This brief communication concerns the unsteady aerodynamic external pressure loads acting on a semi-circular bluff body lying on a floor under wind gusts and describes the theoretical model, experimental setup, and experimental results obtained. The experimental setup is based on an open circuit, closed test section, low speed wind tunnel, which includes a sinusoidal gust generating mechanism, designed and built at the Instituto de Microgravedad “Ignacio Da Riva” of the Universidad Politécnica de Madrid (IDR/UPM). Based on the potential flow theory, a theoretical model has been proposed to analyse the problem, and experimental tests have been performed to study the unsteady aerodynamic loads on a semi-circular bluff body. By fitting the theoretical model predictions with the experimental results, influencing parameters of the unsteady aerodynamic loads are ascertained. The values of these parameters can help in clarifying the phenomenon of the external pressure loads on semi-circular bluff body under various gust frequencies. The theoretical model proposed allows the pressure variation to be split into two contributions, a quasi-steady term and an unsteady term with a simple physical meaning.     

Computation of wind-induced vibrations of flexible shells and membranous structures

A partitioned coupling approach for time-dependent fluid–structure interactions is applied to thin shells and membranous structures with large displacements. The frame algorithm connects a three-dimensional, finite volume-based multi-block flow solver for incompressible fluids with a finite element code for geometrically nonlinear structural problems using a commercial coupling interface. Thus a high modularity is achieved and the whole range of opportunities with these two powerful codes — each of them highly adapted to its specific field of application — can be used also for coupled simulations.Two completely different configurations were investigated. First, the coupling algorithm was applied to an academic test configuration consisting of one, two, and three flexible L-shaped plates being loaded by a steady far-field flow. Various investigations were carried out at different Reynolds numbers (Re=50,200, and 500) in order to study phenomena such as vortex shedding, resonance, influence of the interaction between several flexible plates, whereas the second and third plates were placed in the wake of the first.The second part of the paper shows that in principle the coupling procedure can also deal with real-life structures as they occur in civil engineering. A membranous roof of glass-fiber synthetics with a complex shape was exposed to a time-dependent wind gust from diagonally above which was superimposed on a constant basic wind flow parallel to the ground. The structural model contains the pre-stressed textile roof including the taut cables at its circumference which are fastened at the pylons. As a structural response, the wind gust led to a displacement of the textile roof which disappeared again when the gust subsided. With the coupled algorithm proposed in the paper it is possible to study dynamic interactions for engineering applications.     

高雷诺数湍流风场大涡模拟的并行直接求解方法

在环境流体力学中,风场是风沙流、风雪流等自然环境特性问题研究的动力源和基础. 通常采用壁湍流模型进行风场大涡模拟(large eddy simulation, LES)计算,但受到计算规模的限制使得 高雷诺数风场的模拟计算难以实现. 并行计算技术是解决大规模高雷诺数风场大涡模拟的关键技术之一. 在不可压湍流风场的LES模拟中,压力泊松方程的并行计算技术是进行规模并行计算的困难点. 根据风场流动模拟计算的特点,采用水平网格等距而垂直于地面网格非等距,在解决规模并行计算中求解压力泊松方程的难点问题时,利用FFT解耦三维泊松方程使其变为垂向的一维三对角方程, 并利用可并行的三对角方程PDD求解技术,可建立三维泊松方程的直接并行求解技术. 结合其它容易并行的动量方程计算,本文建立风场LES模拟的并行直接求解方法(parallel direct method-LES, PDM-LES). 在超级计算机上对新方法进行并行效率测试,并行计算效率达到90${\%}$. 新的方法可用于进行湍流风场大涡模拟的大规模并行计算. 计算结果表明,湍流风场瞬时速度分布近壁面存在条带状的拟序结构,平均场的速度分布符合速度对数律特性,风场湍流特性基本合理.      

Cascade aerodynamic gust response including steady loading effects

To predict the unsteady convected gust aerodynamic response of a cascade comprised of arbitrary thick and cambered aerofoils in an incompressible, inviscid, flow field, a complete first-order model is formulated. The flow is analysed by considering a periodic flow channel. The velocity potential is separated into steady and unsteady harmonic components, each described by a Laplace equation. The strong dependence of the unsteady aerodynamics on the steady effects of aerofoil and cascade geometry and incidence angle is manifested in the coupling of the unsteady and steady flow fields through the unsteady boundary conditions. Analytical solutions in individual grid elements of a body-fitted computational grid are then determined, with the complete solution obtained by assembly of these local solutions. The validity and capabilities of this model and solution technique are then demonstrated by analysing the steady and unsteady aerodynamics of both theoretical and experimental cascade configurations.