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.     

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.     

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。     

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      

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.     

湍流边界层中固体颗粒运动的数值模拟

根据Ｌａｇｒａｎｇｅ颗粒运动微分方程及不可压缩湍流边界层中流体的壁面速度分布规律，数值求解了颗粒在湍流边界层中的运动，考虑了Ｓａｆｆｍａｎ升为对颗粒运动的影响，壁面对运动阻力的影响，给出了固体颗粒沉积边壁，在边界层外缘上所需的最小速度和最小入射角，计算结果还表明边界层对固体颗粒撞击边壁的速度和入射角有较大影响，从数值结果可可以发现一个重要现象。     

环境模拟实验室中近地层风速廓线的形成研究

在环境模拟实验室中利用阻尼网对实验区形成的近地层风速廓线进行了数值模拟和实验研究.阻尼网的布置方案以变孔隙率阻尼网作为指导,选用30目和16目定孔隙率阻尼网4种不同高度的混合式布置方式.数值模拟采用Fluent软件,将结构复杂的阻尼网简化为具有一定厚度的多孔介质模型,湍流模型为标准k-\varepsilon模型.结果表明可将阻尼网作为多孔介质处理,定孔隙率阻尼网的组合可在短实验段内形成所需近地层的风速廓线,模拟值与实验值吻合良好.     

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.     

Effect of thermal diffusion and electrostatic force on evolution of wind-blown sand flow

A theoretical model is suggested to mathematically describe the effect of thermal diffusion from a sand-bed on evolution of a wind-blown sand flow.An upward wind field is engendered by the thermal diffusion and the coupling interaction among the horizontal and upward wind flow,saltating grains,and a kind of electrostatic force exerted on the grains are considered in this theoretical model.The numerical results show that the effect of the thermal diffusion on the evolution process of wind-blown grain flow is quite obvious and very similar to the effect of the electrostatic force on the evolution.Not only the time for the entire system to reach a steady state(called the duration time),the transport rate of grains,the mass-flux profiles and the trajectory of saltating grains are affected by the thermal diffusion and the electrostatic force exerted on saltating grains, but also the wind profiles and the temperature profiles at the steady state are affected by the wind-blown sand flow.     

裸露地表土壤风蚀及其电场数值模拟

土壤风蚀及电场机理研究是认识其灾害本质,进而实现有效防治的基础。采用颗粒流体动力学方法,建立裸露地表土壤风蚀的气-固耦合模型,并基于水的电离理论,建立了运动土壤颗粒碰撞带电模型。数值计算结果不仅从理论上再现了裸露地表土壤风蚀的发生、发展及达到动态稳定的过程,而且定量分析了土壤风蚀过程颗粒的带电特性及其产生的风蚀电场。在风-颗粒相互耦合作用下,裸露地表土壤颗粒的风蚀过程最终达到动态稳定,土壤风蚀量随高度呈指数规律递减,且贴近地表层风蚀量较大。土壤颗粒在运动中的碰撞使得颗粒发生带电现象,粒径较大颗粒带正电,粒径较小颗粒带负电;由带电土壤颗粒产生的风蚀电场强度随高度减小,且在风蚀过程中逐渐增强,在风蚀达到动态平衡时风蚀电场趋于稳定。本文综合考虑了风-土壤-电场的土壤风蚀过程,这将为建立更加符合实际、较为全面的土壤风蚀模型提供理论基础。     

平屋盖风压分布的数值模拟

基于Reynolds时均N-S方程和RSM模型对平屋面的风压分布进行了数值模拟,在此基础上系统研究了风向角、跨高比、地面粗糙度、风速等因素对屋面风压分布的影响,探讨了结构周围流场的绕流特性,最后根据屋面的结构形式及风压分布特点将屋面进行分区,给出了屋面在不同风向角下的分区风载体型系数以供工程设计参考。     

低层房屋风压分布特性的模拟与分析

基于Reynolds时均N—S方程和标准κ-ε双方程封闭模型,对一类带挑檐的低层双坡屋面房屋在不同风向角下的表面风压进行了敷值模拟,模拟结果与风洞试验结果作了比较。在此基础上,根据模拟结果对房屋各表面及挑檐处的风压分布特性和规律进行了分析和计算,获得了不同风向角下各表面的风载体型系数,为该类房屋的工程抗风设计提供了依据。     

空穴的绕射隔离效应和对后方应力波的削弱作用

以新型抗爆工程设计为背景,以改进的有限差分软件Renewto为手段,对含空穴的混凝土介质中应力波的衰减机制和演化规律进行了二维数值分析,通过改变空穴的位置和特征尺度等参数来考察空穴后方应力波的强度衰减及波形演化,从而对应力波传播中的空穴隔离效应进行了分析和讨论。结果表明,适当调整空穴的位置、尺寸等因素,可以在其后方明显减弱冲击波。还以计算结果为基础提出了一个应力削弱因子的拟合公式,为在抗爆防震工程中设计科学智能的防护层提供了一定的理论依据。     

基于孔隙弹性耦合的水力压裂数值模拟研究

系统地阐述基于多孔介质渗流-损伤耦合原理,进行水力压裂的FEM数值实现方法.基本架构为:(1)引入孔隙流体压力膨胀系数将孔隙流体压力与应力场进行耦合;(2)基于损伤局部化模型,提出裂缝张开度表达式;(3)提出水力压裂引起的多孔介质水-力学属性的各向异性表达式;(4)提出全流量加载的耦合分析方案.作为实例,模拟三维地层水压裂缝扩展形态,通过比较模型的数值解和经典理论解,验证该方法的正确性.     

流固耦合作用下真实人体上呼吸道呼吸流涡结构演化的数值仿真

通过构建真实人体上呼吸道三维规范模型,运用大涡模拟数值方法,对考虑流固耦合作用的低强度循环呼吸模式下人体上呼吸道内的呼吸流进行了数值仿真,研究分析了人体口喉模型及气管支气管内的气流涡结构及其演化过程。结果表明,循环吸气过程中,气流在口腔中部以及舌苔上部形成多个涡管,在声门部位形成强烈的射流,在气管前壁出现马蹄涡,到气管中部大尺度涡结构逐步消失,支气管中只剩下一系列小尺度涡结构;循环呼气过程中,气流在气管底部产生较为复杂的涡结构,随着气流在气管内的融合,涡强度逐步减弱,在咽喉后壁形成拱状涡,气流进入口腔后,涡结构破裂,涡量扩散,没有较大的涡结构产生。     

改善平板风致静力的定常吸气方法

采用基于CFD(Computational Fluid Dynamics)的数值方法研究了定常吸气方法对平板风致静力的影响。研究对象选为一处于均匀来流风场中的平板模型,在该平板靠近来流端设置定常吸气入口,通过改变定常吸气系数和吸气模式计算该平板模型的风致静力三分力,进而获取定常吸气对平板风致静力作用的影响。风场数值模拟采用RSM(Reynolds Stress Equation Model)湍流模型。计算结果表明,在定常吸气作用下平板的阻力系数显著降低,扭矩系数增大;平板迎风端面的压力随着吸气能量的增强而减小,背风端面的压力基本不变。数值结果表明:定常吸气可以有效地改善平板绕流边界层结构,降低风致阻力。     

钢筋混凝土穿甲的数值模拟

比较了LS-DYNA中关于钢筋和混凝土相互作用的不同处理方式（即接触方法和耦合方法）对钢筋混凝土穿甲结果的影响。数值模拟S.J.Hanchak 等关于钢筋混凝土靶的穿甲实验,给出了弹靶的变形破坏过程。讨论了穿甲钢筋混凝土靶的撞击位置对终点弹道性能的影响,加深了钢筋对侵彻作用的认识。所确定的数值模拟方法可用于进一步讨论钢筋结构与尺寸、配筋率等参数对侵彻影响等问题的研究。     

Dynamic model of crop growth system and numerical simulation of crop growth process under the multi-environment external force action

IntroductionAccordingtobiomechanics,thegrowthsystemoffarmlandcropistheartificiallyecologicalsystemthatchangestheenvironmentalresourcefactors(light,temperature,soilwaterandcarbondioxideetc .)intothefarmlandprimaryproductivity .Thesystemisactedbytheexternalforcevariablesofenvironment,inabroadsense,whichincludeslightintensity ,thetemperaturemaintenanceaction ,soilwater,andtheeffectiveuserateofnutrientsetc.Withinsystemisalsoactedbybiologicalvariableswhichincludethecropleafindex ,rootvolume ,biomas…