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．     

非定常阵风场对沙粒跃移运动的影响浅析

野外阵风具有大尺度结构的非定常特征和小尺度结构的高频脉动特性,是造成风沙流输沙量波动和沙粒间歇性跃移的主要原因. 阵风的非定常性和脉动越显著,采用平均风速及沙粒粒径均一化分析风沙问题的误差越大,是野外观测、风洞实验及数值模拟的结果彼此偏差极大的主要因素. 野外阵风条件下的风沙跃移研究目前仍缺乏能够用于规范数学模型的有关阵风场和输沙率特征的可靠实时测量,有赖于风沙流整场高频测量技术和风洞模拟技术的发展.     

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.     

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     

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.     

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.     

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.     

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.      

风沙运动力学机理研究的历史、进展与趋势

回顾了风沙运动力学机理研究历史,阐述了中国在风沙运动力学机理研究方 面所取得的最新进展，提出了目前存在的问题和今后发展的趋势.     

Analysis of sand particles’ lift-off and incident velocities in wind-blown sand flux

In the research of windblown sand movement,the lift-off and incident velocities of saltating sand particles play a significant role in bridging the spatial and temporal scales from single sand particle’s motion to windblown sand flux.In this paper,we achieved wind tunnel measurements of the movement of sand particles near sand bed through improving the wind tunnel experimental scheme of paticle image velocimetry(PIV) and data processing method.And then the influence of observation height on the probability distributions of lift-off and incident velocities of sand particles was analyzed.The results demonstrate that the observation height has no obvious influence on the distribution pattern of the lift-off and incident velocities of sand particles,i.e.,the probability distribution of horizontal and vertical velocities of lift-off and incident sand particles follow a Gaussian distribution and a negative exponential distribution,respectively.However,it influences the center of the Gaussian distribution,the decay constant and the amplitude of the negative exponential distribution.     

风沙颗粒运动的数字高速摄影图像的分割算法

为了深入理解多因素驱动下风沙颗粒起动的动态演化规律, 需要准确地获得沙质床面附近沙粒群起跳的方式、速度和运动轨迹. 以连续强激光源为照明的数字高速摄影技术是研究这类问题的有效手段, 但由于风沙运动的高速摄影图像具有运动沙粒和静止床面的对比度小、相邻两帧图像相似性小等特点, 原始图像叠加算法难以有效实现目标与背景的分割. 该文提出了基于相邻的风沙运动图像灰度差值变化原理的图像分割算法. 实例显示,只要选择合适的相邻图像灰度差值阈值和自适应二值化处理方法就能实现图像中运动沙粒与床面分割. 当起跳沙粒浓度较低情况下, 基于MATLAB平台的最小距离匹配的粒子追踪算法(PTV算法)能较为准确地恢复床面附近沙粒的运动轨迹.      

侧限压缩下干燥砂的动态力学性能

通过添加波形整形器的分离式霍普金森压杆(SHPB),研究了侧限条件下干燥砂在不同应变率和 不同预压时的动态压缩力学性能,并利用MTS810材料实验系统,研究了干燥砂的准静态压缩应力应变曲 线。实验采用的材料为硅基细颗粒干燥砂,粒径分布范围为150~245m,自然堆积状态的密度为 1.40g/cm3。研究发现,应变率对干燥砂压缩过程影响不大,而不同的预压对实验结果影响显著。     

Probability of rebound and eject of sand particles in wind-blown sand movement

When incident particles impact into a sand bed in wind-blown sand movement, rebound of the incident particles and eject of the sand particles by the incident particles affect directly the development of wind sand flux. In order to obtain rebound and eject lift-off probability of the sand particles, we apply the particle-bed stochastic collision model presented in our pervious works to derive analytic solutions of velocities of the incident and impacted particles in the post-collision bed. In order to describe randomness inherent in the real particle-bed collision, we take the incident angle, the impact position and the direction of resultant action of sand particles in sand bed on the impacted sand particle as random variables, and calculate the rebound and eject velocities, angles and coefficients (ratio of rebound and eject velocity to incident velocity). Numerical results are found in accordance with current experimental results. The rebound and eject lift-off probabilities versus the incident and creeping velocities are predicted. The project was supported by the National Natural Science Foundation of China (10532040, 10601022). The English text was polished by Yunming Chen.     

自动取款机摩擦学系统在沙尘环境中的磨损特性研究

模拟塔克拉玛干沙漠的沙尘环境,对(ATM)自动取款机摩擦学系统进行了磨损试验,分析了聚酰亚胺(PI)和聚萘二甲酸乙二酯(PEN)高聚物薄带在3种载荷以及有无纸币基体情况下的沙尘磨损性能和机理.结果表明:PI薄带的抗沙尘磨损能力较PEN薄带强;纸币基体可以改善PEN薄带的抗沙尘磨损能力;PI薄带的磨损机理表现为剧烈的刨削磨损,PEN薄带则表现为微犁沟和疲劳剥落.     

Shear wave velocity in sand considering the effects of frequency based on particle contact theory

Since the shear waves involved in in-situ and laboratory measurement methods vary significantly in terms of the frequency range, it is necessary to consider the effects of frequency on the shear wave velocity. In this study, sand particles are assumed to be spherical solid particles with an equal radius and identical material properties, and sand skeletons are regarded as granular aggregations generated through the random packing of sand particles. It is also assumed that the sand particles only undergo elastic deformation during shear wave propagation. Based on a spherical particle model, a formula is obtained for calculating the shear wave velocity in sand, with the shear wave frequency as an extra influencing parameter. The quantitative calculations demonstrate that the shear wave velocity decreases with an increase of sand porosity, and accelerates with increases of vertical effective stress and elastic modulus of the sand particles. It is also indicated that both the particle density and Poisson’s ratio of the sand particles have negligible effects on the shear wave propagation. The frequency dispersion characteristics of shear wave propagating in sand are also discussed. Moreover, the critical frequency is defined and its analytical expression is derived. The calculation results obtained using the proposed equations agree well with the in-situ measurement results and bender element test data.     

The velocity of sand particles relative to water and the variation of fluctuation velocity due to the concentration of suspended sand particles

In this paper, we discuss three fundamental problems of the theory of suspended sand particles based on the theory of fluid dynamics. They are: (1) the relative velocity of sand particles to the surrounding fluid in the turbulent flow, (2) the variation of the velocity fluctuation of the fluid when the suspended sand particles exist, (3) the profile of the vertical distribution of the concentration of the suspended sand particles in two-dimensional uniform steady channel flow and the modification of usual diffusion theory. The results of our theoretical analysis are somewhat different from the corresponding expressions in the textbooks of hydraulics and river mechanics.