沙粒跃移运动的数值模拟

沙粒在风场作用下形成的风沙运动,直接导致一系列环境问题.现有的数值模拟并没有揭示风沙流的二维性质.本文提出一种合理有效的模拟方法来揭示风沙流时空的变化.气相运动采用大涡模型,而固相(沙粒)处理为高散体系(DEM),并利用已有的沙粒与床面碰撞的激溅函数,以获得整个风沙系统运动特性.结果表明:其发展过程与以往的试验结果相比较符合:风沙流达到稳定后,不同截面输沙率沿高度分布与平均输沙率相比差别很大,并大约在9cm高处,平均输沙率出现极值,单宽输沙率沿风向分布同样具有非均匀性.     

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。     

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.      

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      

不同风场下TNT炸药爆炸烟云的扩散模型及特性

为获取不同风场下TNT爆炸烟云扩散时空分布规律与高度变化模型，本文理论描述了爆炸烟云扩散过程与机理，开展了不同水平风速下烟云扩散的计算流体力学（computational fluid dynamics, CFD）仿真和外场时空分布实验，建立了不同水平风速下烟云高度随时间变化模型及烟云最终高度计算模型，分析了烟云扩散过程中形态、温度、密度、速度变化规律。研究结果显示:CFD方法仿真烟云分布结果与实验结果基本一致，大气稳定且无风条件下烟云高度随时间呈指数0.5的幂函数关系，最终高度与爆炸当量可拟合为指数0.47的幂函数模型；水平风会加快烟云与空气混合的速度，导致幂函数模型中指数参数随风速变大而呈线性减小规律，风速越大烟云上升速度衰减越快、上升时间越短、最终高度越低。     

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.     

MULTIPLE TIME SCALES OF AEOLIAN AND FLUVIAL PROCESSES AND DEPTH-AVERAGED INTEGRAL MODELLING

针对风沙与水沙动力学研究的共性,提出风沙与水沙运动统一深度积分模式;在此基础上,将水沙运动过程多重时间尺度理论扩展至风沙运动,比较研究风沙与水沙运动向平衡状态调整的时间尺度特征. 数值算例与风洞实验结果对比表明,积分平均模型能够基本准确地捕捉风沙运动的输沙率变化等基本特征;风沙与水沙运动的积分时间尺度比较分析表明,风沙运动与水沙运动类似,推移质运动能够很快地调整到平衡状态,而悬移质运动调整到平衡状态则需要相对较长的过程,在湍流悬移质实验和数值模拟研究中应考虑恢复平衡过程的影响.     

一维河网泥沙输移模式研究

推导了一种显式的河网 泥沙输移递推计算方法, 该方法在水动力学计算结果所确定的汊点类型基础上, 直接计算每 个河段中逐个节点的不平衡泥沙输沙过程以及悬沙和床沙的级配调整, 克服了传统方法中必 须通过首末断面含沙量关系确定河网悬沙矩阵求解的困难. 将该泥沙输移模式的一维河网水 沙数学模型, 应用于长江三峡下游荆江-洞庭湖河网区域, 并取得了较好的计算结果.在模型 验证之后, 进一步讨论了采用新的泥沙输移计算模式和原有泥沙输移计算模式在计算 时间上和计算内容方面的差别.     

关于风沙层中颗粒垂向浓度分布规律等的思考

本文采用统计平均方法和二相流连续介质模型方法研究了风沙流场中颗粒浓度和输运通量沿高度的分布规律．结果表明：即使对均匀沙这一简单情形，现有的理论模型也很难证明这两个量一定服从负指数分布．针对负指数分布是经验规律这一事实，我们对现阶段常用的测算颗粒浓度的方法进行讨论，指出引进更高精度实验手段的必要性．     

输沙量（率）水平分布的非均一性

实验表明：输沙率沿风洞实验段横截面的水平分布具有明显的非均一性。其正负距平变幅可达平均值的４５－６０％。输沙率与有效起沙风成正比关系，其实验式为ｑ＝８．９５×１０（－１）（ＶＬ－Ｖｔ）（１．９）（ｇ／ｃｍ·ｍｉｎ），Ｖｔ＝５．０ｍ／ｓ。与Ｂａｇｎｏｌｄ，ＲＡ理论公式ｑ＝８．７０×１０（－２）（Ｖ－Ｖｔ）３相比（Ｖｔ＝４．０ｍ／ｓ），前者计算结果更接近室内外实测值。     

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.      

大风区铁路沿线挡风墙积沙机理及优化措施的风洞实验研究

位于兰州至新疆的兰新二线是世界上首条穿越大风区的高速铁路,途径著名的烟墩风区、百里风区、三十里风区及达坂城风区,风区段铁路里程长达 462.4 km,占新疆段线路总长的 65.1${\%}$,大风对铁路的运营、养护和运输造成很大危害. 为了降低大风对通行列车的危害,兰新铁路沿线设置了大量挡风墙. 挡风墙发挥作用的同时,也带来了铁路沿线的积沙问题. 为了解决这一工程实践的现实问题,本文提出了在现有挡风墙背风侧的不同位置处,设立第二道挡墙以减弱铁路积沙的治理思路,并开展了对应条件下对现有单道挡风墙、以及在现有单道挡风墙背风侧坡顶处和坡脚处设置第二道挡墙,共计3种情景的风洞模拟实验,发现设置第二道挡墙后距轨道线路高0.1 m处的沙粒水平速度、数密度、输沙通量及沉积率较无第二道挡墙时明显减少,介于8%$\sim$12${\%}$,51%$\sim$69${\%}$,20%$\sim$73${\%}$以及26%$\sim $38${\%}$,而且在现有单道挡风墙背风侧坡顶部增设第二道挡风墙的效果更好. 因此,本文的研究成果有助于优化大风区已有铁路沿线、城镇等防沙治沙工程措施.      

Sand particle dislodgement in windblown sand

The incipient motion of sand particle from sand bed plays a very important role in the prediction of windblown sand.In this paper,we proposed a new method for predicting the incipient motion of sand particle based on wind speed fluctuation as follows,when the wind speed is larger than the critical wind speed,if the total impulse on sand particle is larger than the critical impulse,incipient motion of sand particle would take place,otherwise if not.Furthermore,from the analysis of entrainment in the rolling and lifting modes,we come to the following conclusion.When the average wind speed is smaller than the critical wind speed,if the average wind speed is used to judge the incipient motion of sand particle,one will underestimate the number of sand particles jumping from the bed,if the instantaneous wind speed is used to judge incipient motion of sand particle,one will overestimate the number of sand particles jumping from the bed;When the average wind speed is larger than the critical wind speed,either the average or the instantaneous wind speeds is used to judge the incipientmotion of sand particles,one will overestimate the number of sand particles jumping from the bed.     

沙漠地貌演化过程的湍流大涡模拟研究

采用大涡模拟和混合粒径群体沙粒运动算法结合内置边界方法来模拟沙波纹与沙丘的演化和发展,在平坦沙区形成沙波纹的同时,在沙丘上同样也出现了沙波纹的结构,即沙波纹的发展出现了多尺度现象.此外,还分析了粒径对沙波纹与沙丘自身形态演化和发展的影响,以及沙丘对平坦沙区沙波纹形成发展的作用.     

首都国际机场新航站大楼风压试验研究

通过１：１２０的模型风洞试验,测量了首都国际机场新航站大楼的风压分布,给出了结构风荷载体型系数,并测量了周围部分区域的风速分布,为工程设计提供了依据。试验结果表明：结构表面主要承受负压,周围个别别区域相对来风风速增大。     

Status of large scale wind turbine technology development abroad

To facilitate the large scale (multi-megawatt) wind turbine development in China, the foreign efforts and achievements in the area are reviewed and summarized. Not only the popular horizontal axis wind turbines on-land but also the offshore wind turbines, vertical axis wind turbines, airborne wind turbines, and shroud wind turbines are discussed. The purpose of this review is to provide a comprehensive comment and assessment about the basic work principle, economic aspects, and environmental impacts of turbines.     

时域自适应算法求解移动荷载下梁的多宗量反问题

通过一种时域自适应算法,建立了求解变速移动荷载下梁的多宗量反问题的数值模型,可同时识别移动荷载和梁的物性参数.正问题采用时域自适应算法和FEM建模,并可由此方便地推导敏度公式;在反问题求解中采用Levenberg-Marquardt法,计算表明该方法具有较好的抗不适定性.通过两个算例,对所提算法进行了数值验证,并探讨了噪声和测点的变化对反演结果的影响,结果令人满意.     

复杂工况下的大型风力机气动性能和尾迹研究Investigation of aerodynamic performance and wake of the large scale wind turbine in complicated conditions

在复杂工况下,大型风力机非定常特性会更严重,导致风力机气动性能变化和尾迹预测更加复杂。本文主要针对稳态偏航、动态偏航、风剪切和随机风速场等复杂工况,基于自由涡尾迹方法,嵌入复杂工况的模块,加入了动态失速模型和三维旋转效应模型修正,实现了复杂工况数值模拟计算,比较了不同复杂工况的气动载荷和尾迹形状。最后,得出了风力机在复杂工况下的气动性能、载荷和尾迹叶尖涡线特性,并计算出风力机在复杂工况下的气动载荷超调量和迟滞时间。对推进自由涡尾迹方法应用于风力机工程的大批工况载荷计算,提高大型风力机的载荷计算精度和设计水平等具有重要意义。