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      

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．     

可侵蚀地表上方含尘大气运动的数值模型

在稀相气固两相流的双流体模型框架下，导出含尘大气运动的基本方程，其中的源项考虑相间双向耦合作用；通过对基本方程进行无量纲化，求得控制气相和弥散相动力学行为的相似准则，包括弗洛德数、罗斯贝数、颗粒雷诺数、颗粒惯性参数、颗粒剪切横移参数、颗粒旋转横移参数和沙尘质量载荷率等. 作为一个模型问题，研究可侵蚀地表上方充分发展湍流大气边界层流动对土壤颗粒的气动卷扬作用，其中计及气动阻力、萨弗曼升力和重力等因素的影响. 为了克服由于沙尘跃移运动轨迹交叉导致流动参数多值性所造成的困难，引进拉格朗日坐标下弥散相连续方程. 对两种不同风速和4种不同粒径条件下的沙尘运动进行数值模拟，给出相应情况中沙尘运动特性和密度分布剖面并讨论风速和粒径等参数的影响，还细致分析了含尘大气边界层中沙尘与气流之间的能量传递过程. 所得的方程、准则和方法可以为土壤风蚀和沙尘暴等自然灾害的预报提供理论基础.     

非均匀积污下高压绝缘子电位及电场分布特性

高压绝缘子在输变电工程中承担着绝缘的重要角色. 由于工业化的飞速发展, 雾霾和沙尘等天气的频繁出现, 污秽颗粒在大气流场的作用下在绝缘子表面沉积, 容易发生污闪事故, 严重影响着电网的安全运行. 将高压绝缘子污闪发生的主要过程-绝缘子的动态积污和表面电场畸变过程进行耦合分析, 探究污闪发生的机理. 建立绝缘子周围的欧拉-欧拉气固两相流模型, 对绝缘子动态积污过程进行数值模拟, 获得绝缘子表面的非均匀积污层分布; 创建其表面导电层单元, 结合有限元方法建立积污绝缘子电场模型, 对非均匀积污层分布的绝缘子串进行电位及电场分析. 研究结果表明: 在积污层非均匀分布情况下, 绝缘子表面积污层周向位置对其电位分布的趋势影响较小, 但对绝缘子表面电场畸变的发生位置影响较大. 随着周向位置的变化, 电场畸变位置的偏移也不同, 且侧风面电场畸变的偏移最大. 随着积污层电导率的增大, 电场强度大于清洁绝缘子表面的场强, 且背风侧的场强畸变最大.      

非均匀积污下高压绝缘子电位及电场分布特性

高压绝缘子在输变电工程中承担着绝缘的重要角色.由于工业化的飞速发展,雾霾和沙尘等天气的频繁出现,污秽颗粒在大气流场的作用下在绝缘子表面沉积,容易发生污闪事故,严重影响着电网的安全运行.将高压绝缘子污闪发生的主要过程—绝缘子的动态积污和表面电场畸变过程进行耦合分析,探究污闪发生的机理.建立绝缘子周围的欧拉-欧拉气固两相流模型,对绝缘子动态积污过程进行数值模拟,获得绝缘子表面的非均匀积污层分布;创建其表面导电层单元,结合有限元方法建立积污绝缘子电场模型,对非均匀积污层分布的绝缘子串进行电位及电场分析.研究结果表明:在积污层非均匀分布情况下,绝缘子表面积污层周向位置对其电位分布的趋势影响较小,但对绝缘子表面电场畸变的发生位置影响较大.随着周向位置的变化,电场畸变位置的偏移也不同,且侧风面电场畸变的偏移最大.随着积污层电导率的增大,电场强度大于清洁绝缘子表面的场强,且背风侧的场强畸变最大.     

荷电颗粒在旋转环形通道内分离性能研究

为研究带电旋转环形通道内荷电颗粒的运动和沉积特性,本文使用计算流体力学两相流离散颗粒法对带电旋转环形通道内的荷电颗粒的运动过程进行了模拟。根据模拟结果分析了不同粒径、电压、入口雷诺数和通道长径比等参数对荷电颗粒运动和沉积的影响,研究了荷电颗粒在旋转通道内离心力与电场力之间的竞争关系,探索了离心力和电场力导致的荷电颗粒运动和沉积变化的规律。结果表明,单个不同粒径颗粒具有不同的颗粒逃逸电压区间,区间的大小随着颗粒粒径的增大而增大,且区间的宽度随着通道长径比的增大将会明显变小;多个颗粒的逃逸率曲线,不同粒径的颗粒将会有不同程度的交叉,随着长径比的增大,颗粒逃逸率曲线的高度与交叉会有明显的减小,而随着转速的增大,颗粒逃逸率曲线的交叉会有一定程度的减小,且高度不会有明显变化。     

带自由表面水流与离散颗粒耦合模型研究

基于考察泥沙运动的细观行为特征,采用离散单元法(DEM)模拟泥沙颗粒运动,结合带自由表面的水动力学计算模型,建立了CFD-DEM耦合数值模型。计算程序开发基于Fortran语言来实现。耦合模型中实现了硬球模型和软球模型两种颗粒碰撞模型,应用范围较广。作为自由表面水流与泥沙颗粒流数值模型的初步研究,在模型建立的基础上,对模型做了基本的验证。分别通过单颗粒静水沉降和混合颗粒群分选两个计算工况,验证了模型的正确性及模拟精度。该耦合模型可进一步丰富带自由表面水流条件下泥沙运动的研究手段。     

非球形固体颗粒对弯管内壁的磨损机制

为研究弯管内固体颗粒在液相夹带条件下的运动特性及颗粒对弯管内壁的磨损,采用计算流体动力学与离散元耦合的方法,建立数值模型,考虑固液两相之间的作用,对弯管内的固液两相流动进行数值模拟;通过软件的应用程序编程接口嵌入自编译磨损模型;借助试验结果,验证数值模型的有效性.结果表明,所建立的数值模拟方案可以准确地模拟颗粒在管内的运动特征并能够预测弯管内壁的磨损位置以及磨损程度.弯管内的二次流对颗粒运动有重要影响,弯管外侧壁面中心线附近的磨损较严重,磨损的形式以小角度划擦切削为主.弯管磨损主要与颗粒对壁面的碰撞速度、碰撞角度及碰撞频率有关.运动中的颗粒与壁面发生多次碰撞,碰撞角度逐渐减小.随着颗粒球形度的增大,在相同碰撞条件下引起的磨损量变小,但是会降低颗粒的随流性.颗粒形状影响颗粒在流场中的运动速度以及颗粒与壁面的碰撞.随着颗粒球形度增大,严重磨损区域向弯管进口方向移动,壁面平均磨损量先减小后增大;当输送颗粒的球形度为0.91时,壁面磨损量最小.     

颗粒群碰撞搜索及CFD-DEM耦合分域求解的推进算法研究

在采用计算流体力学-离散元耦合方法(computational fluiddynamics-discrete element method, CFD-DEM)进行固液两相耦合分析时, 颗粒计算时间步的选取直接影响到耦合计算精度和计算效率. 为此, 本文选取每个目标颗粒为研究对象, 引入插值函数计算时间步的运动位移, 构建可变空间搜索网格; 通过筛选可能碰撞颗粒建立搜索列表, 采用逆向搜索方式判断碰撞颗粒, 从而提出一种改进的DEM方法(modified discreteelement method, MDEM). 该算法在颗粒群与流体耦合计算中, 颗粒计算初始时间步选取不受颗粒碰撞时间限制, 通过自动调整和修正实现大步长, 由颗粒和流体耦合条件实时更新流体计算时间步, 使颗粒计算时间步选取过小导致计算效率低、选取过大导致颗粒碰撞漏判的问题得以解决, 为颗粒与流体耦合的数值模拟提供了行之有效的计算方法. 通过两个颗粒和多个颗粒的数值模拟, 得到的颗粒间碰撞力、碰撞位置及次数, 与理论计算结果的相对误差均低于2%, 与传统的DEM碰撞搜索算法相比, 在选取的3种计算时间步均不会影响计算精度, 且有较高的计算效率. 通过多个颗粒与流体的耦合数值模拟, 采用传统的CFD-DEM方法, 只有颗粒计算时间步选取10$^{-6}$ s或更小才能得到精确解, 而采用本文方法取10$^{-4}$ s也能够得到精确解, 避免了颗粒碰撞随时间步增大而出现的漏判问题, 且计算耗时降低了16.7%.      

泥石流反粒径分布的一种定性解释

假设泥石流中的粗颗粒（如石块等）以跳跃的方式前进,通过分析单个颗粒在定常充分发展的流场中的运动,给出了单一起跳速度下以及具有一定分布的起跳速度下,颗粒数密度随高度的分布,并给出了起跳粒径有分布时颗粒的平均粒径随高度的分布,定性地解释了泥石流中的反粒径分布现象。     

The 7th International Conference on Fluid Mechanics May 24-27,2015,Qingdao,China

正http://www.icfm7.org First Announcement and Call for PapersThe objective of International Conference on Fluid Mechanics(ICFM)is to provide a forum for researchers to exchange new ideas and recent advances in the fields of theoretical,experimental,computational Fluid Mechanics as well as interdisciplinary subjects.It was successfully convened by the Chinese Society of Theoretical and Applied Mechanics(CSTAM)in Beijing(1987,     

INFORMATION FOR CONTRIBUTORS

Contributions： The Journal, Acta Mechanica Solida Sinica, is pleased to receive papers from engineers and scientists working in various aspects of solid mechanics. All contributions are subject to critical review prior to acceptance and publication.     

Preface

This special issue of PARTICUOLOGY is devoted to the first UK-China Particle Technology Forum taking place in Leeds, UK, on 1-3 April 2007. The forum was initiated by a number of UK and Chinese leading academics and organised by the University of Leeds in collaboration with Chinese Society of Particuology, Particle Technology Subject Group （PTSG） of the Institution of Chemical Engineers （IChemE）, Particle Characterisation Interest Group （PCIG） of the Royal Society of Chemistry （RSC） and International Fine Particle Research Institute （IFPRI）. The forum was supported financially by the Engineering and Physics Sciences Research Council （EPSRC） of United Kingdom,     

基于鲁棒滤波的捷联导引头视线角速度估计方法

针对捷联导引头无法直接获取视线角速度等信息的问题,研究了鲁棒滤波在大气层外飞行器捷联导引头视线角速度估计中的应用。为了建立非线性滤波估计模型,考虑目标视线角速度的慢变特性,采用一阶马尔科夫模型建立了状态方程;推导了视线角速度的解耦模型,并建立了量测方程;考虑到实际应用中存在系统噪声统计特性失准的问题,基于Huber-Based鲁棒滤波方法,设计了视线角速度滤波器,并完成了基于Huber-Based滤波方法和扩展卡尔曼滤波方法的数学仿真。仿真结果表明Huber-Based滤波方法的视线角、视线角速度及视线角加速度估计精度分别达到0.1140'、0.1423'/s、0.0203'/s2,而扩展卡尔曼滤波方法的视线角、视线角速度及视线角加速度估计精度仅分别为0.6577'、0.6415'/s、0.0979'/s~2。仿真结果证明了该方法可以有效地估计出相对视线角速度等信息,并且在非高斯噪声的条件下,依然可获得较高的估计精度,具有一定的鲁棒性。     

Guide for authors

正Each of the sections below provides essential information for authors.We recommend that you take the time to read them before submitting a contribution to Acta Mechanica Sinica.We hope our guide to authors may help you navigate to the appropriate section.How to prepare a submission This document provides an outline of the editorial process involved in publishing a scientific paper in Acta Mechanica     

Use specification of multiscale materials for life spanned over macro-, micro-, nano-, and pico-scale

Multiscale material intends to enhance the strength and life of mechanical systems by matching the transmitted spatiotemporal energy distribution to the constituents at the different scale, say—macro, micro, nano, and pico,—, depending on the needs. Lower scale entities are, particularly, critical to small size systems. Large structures are less sensitive to microscopic effects. Scale shifting laws will be developed for relating test data from nano-, micro-, and macro-specimens. The benefit of reinforcement at the lower scale constituents needs to be justified at the macroscopic scale. Filling the void and space in regions of high energy density is considered.Material inhomogeneity interacts with specimen size. Their combined effect is non-equilibrium. Energy exchange between the environment and specimen becomes increasingly more significant as the specimen size is reduced. Perturbation of the operational conditions can further aggravate the situation. Scale transitional functions and/or f_j/j+1 are introduced to quantify these characteristics. They are represented, respectively, by , and (f_mi/ma,f_na/mi,f_pi/na). The abbreviations pi, na, mi, and ma refer to pico, nano, micro and macro.Local damage is assumed to initiate at a small scale, grows to a larger scale, and terminate at an even larger scale. The mechanism of energy absorption and dissipation will be introduced to develop a consistent book keeping system. Compaction of mass density for constituents of size 10⁻¹², 10⁻⁹, 10⁻⁶, 10⁻³ m, will be considered. Energy dissipation at all scales must be accounted for. Dissipations at the smaller scale must not only be included but they must abide by the same physical and mathematical interpretation, in order to avoid inconsistencies when making connections with those at the larger scale where dissipations are eminent.Three fundamental Problems I, II, and III are stated. They correspond to the commonly used service conditions. Reference is made to a Representative Tip (RT), the location where energy absorption and dissipation takes place. The RT can be a crack tip or a particle. At the larger size scales, RT can refer to a region. Scale shifting of results from the very small to the very large is needed to identify the benefit of using multiscale materials.