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.     

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．     

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.      

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.     

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采用CFD数值模拟技术,对处于C类地貌风场中由3栋建筑形成的单列 建筑群进行静力风荷载和风场的数值模拟. 数值模拟采用良好适应性的非结构化四面体单元 进行网格划分,侧重模拟分析了各风向角下建筑间距的改变引起面平均风压系数的改变,由 此得到了此类群体建筑表面风压系数干扰因子在各风向角下随建筑间距变化的分布规律和特 征.     

风场模拟中AR模型的若干问题

自回归(AR)模型具有计算量小,模拟速度快等优良特性,在风场模拟中得到了广泛应用.本文对AR模型进行了系统的研究,将脉动风场模拟中广泛应用的AR模型归为两大类,对模型中的参数从理论上进行了合理的解释.对两种模型模拟脉动风场时涉及到的Wiener-KJaintchine公武的交换形式,通过分析对其进行了修正,指出算法上可以采用FFT技术来计算互相关矩阵的元素以提高计算效率.提出了AR模型编程中偶然发现的自回归顺序问题,算例表明两种不同方法的风速时程样本及其无偏自相关估计和自功率谱估计均有较大的影响,希望能引起更多同行对该问题的注意.尽管标量过程AR模型简单且易于掌握,但不能考虑时滞问题.相比之下,理论分析和数值实验都证明,向量过程的AR模型在精度总体要高于标量过程的AR模型,但其运算时间也相应增多.     

单列建筑群静力干扰效应的数值模拟

采用CFD数值模拟技术,对处于C类地貌风场中由3栋建筑形成的单列建筑群进行静力风荷载和风场的数值模拟.数值模拟采用良好适应性的非结构化四面体单元进行网格划分,侧重模拟分析了各风向角下建筑间距的改变引起面平均风压系数的改变,由此得到了此类群体建筑表面风压系数干扰因子在各风向角下随建筑间距变化的分布规律和特征.     

复合材料波纹梁盒段耐撞性的数值模拟

运用MSC/DYTRAN有限元软件,结合参数等效的方法对复合材料波纹梁盒段的碰撞过程进行了数值模拟,获得了波纹梁盒段碰撞时的破坏过程、载荷-时间曲线、能量吸收能力等数据,将计算结果与M.A.McCarthy的试验结果进行对比,可以发现两者比较吻合。从而说明采用参数等效的方法可以得到复合材料结构耐坠撞性设计中需要的数据。     

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。     

水流冲击管道内滞留气团现象的VOF模型仿真分析

针对复杂管道系统内水流冲击滞留气团现象,采用VOF模型(Volume of Fluid Model)进行了数值模拟计算,并与一维模型进行了比较计算分析,结果表明:系统的最大压力并不总是气团的最大压力,有可能还会叠加水体对管壁的撞击而形成的突然升高压力.与实验实测结果的比较分析表明:采用VOF模型,能够较精细地仿真水流冲击滞留气团现象的气团形态、流场结构以及压力分布等的变化过程,其压力数值计算结果与实验实测基本吻合,其计算误差明显小于现有一维模型的计算误差,是深入研究该复杂瞬变流现象的有效方法.     

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…     

Structuring of suspended sediments in periodic vortex flow over a vortex ripple

The formation of spatially ordered structures in a suspended sediment under the action of two-dimensional standing surface gravity waves is studied experimentally for the first time in a rectangular vessel oscillating in the vertical direction. The parameters of the structured regions in vessels with individual vortex ripples and groups of ripples are found for the first and second wave modes. Isolated structured regions of the suspended sediment appear over the bottom topography and gradually reach the free surface. The corresponding spatial horizontal scales are determined by the sand ripple dimensions, while the vertical scale of the clouds increases with time. In all experiments, the structures formed remained unchanged during the whole interval of the fluid wave motion and disappeared when the parametric excitation of the waves stopped.     

Simultaneous PIV and PTV measurements of wind and sand particle velocities

Wind-blown sand is a typical example of two-phase particle-laden flows. Owing to lack of simultaneous measured data of the wind and wind-blown sand, interactions between them have not yet been fully understood. In this study, natural sand of 100–125 μm taken from Taklimakan Desert was tested at the freestream wind speed of 8.3 m/s in an atmospheric boundary layer wind tunnel. The captured flow images containing both saltating sand and small wind tracer particles, were separated by using a digital phase mask technique. The 2-D PIV (particle imaging velocimetry) and PTV (particle tracking velocimetry) techniques were employed to extract simultaneously the wind velocity field and the velocity field of dispersed sand particles, respectively. Comparison of the mean streamwise wind velocity profile and the turbulence statistics with and without sand transportation reveal a significant influence of sand movement on the wind field, especially in the dense saltating sand layer (y/δ < 0.1). The ensemble-averaged streamwise velocity profile of sand particles was also evaluated to investigate the velocity lag between the sand and the wind. This study would be helpful in improving the understanding of interactions between the wind and the wind-blown sand.     

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      

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.     

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.     

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.