风沙流跃移沙粒运动的若干基本问题

摘要

沙粒起跳的初速度分布函数是将风沙微观研究和宏观研究进行有机联结的可能途径之一。已有许多学者运用实验等许多方式对起跳沙粒的初速度分布函数进行过研究。但这些研究主要考虑垂直方向的初速度分布，而忽略了沙粒起跳时的水平初速度分布。本文在对董治宝等人利用粒子动态分析仪(particledynamicanalyzer)，即PDA方法在风洞中测得的起跳沙粒的初速度进行分析的基础上，拟合了考虑沙粒起跳水平速度及竖直速度的二维合初速度分布函数。在此基础上建立了稳态风沙跃移云数值模型，对不同轴线风速和粒径下风速和输沙率沿高度的分布及单宽输沙率进行了计算。并将计算结果与不考虑起跳沙粒水平初速度分布函数，只考虑竖直初速度分布函数的计算结果进行了比较，结果表明考虑起跳沙粒合初速度分布函数时计算所得的这些风沙运动宏观量与只考虑竖直初速度分布函数时的结果有明显的不同。如在相同高度，考虑合初速度及其分布函数的风速普遍比只考虑竖直初速度及其分布函数的要小；考虑合初速度及其分布函数的单位面积输沙率普遍比只考虑竖直初速度及其分布函数的要大；考虑合初速度及其分布函数的单宽输沙率普遍比只考虑竖直初速度及其分布函数的也要大。因此，沙粒起跳时其水平方向的速度分量的分布函数对风沙流中这些宏观量的影响不容忽视。 在现有风沙跃移运动的研究中，由于沙粒在空中运动时的复杂性和随机性以及实验条件的限制，沙粒在空中的碰撞通常被忽略。本文利用概率统计原理以及风沙两相流数值计算，提出了一种计算跃移云中沙粒在空中发生碰撞概率的理论模型。模拟了不同轴线风速下以不同初速度起跳的跃移沙粒在上升阶段、下降阶段及整个跃移过程中发生碰撞的概率；同时用实验得到的起跳初速度分布函数，计算了不同轴线风速下随机起跳的跃移沙粒在空中发生碰撞的概率，比较了考虑风沙耦合和不考虑风沙耦合的结果。计算结果表明在跃移沙粒上升阶段发生碰撞的概率要小于在下降阶段发生碰撞的概率；跃移沙粒在空中发生碰撞的概率随轴线风速和起跳初速度的增大而增大；考虑风沙耦合时的结果比不考虑风沙耦合时的结果要小；当轴线风速和起跳初速度足够大时，跃移沙粒在空中发生碰撞几乎是必然的。据此提出了稳态风沙流不仅靠风一沙粒之间的互馈机制来维持，沙粒与床面的碰撞和沙粒之间的空中碰撞也是维持稳态风沙流的原因之一，即随着沙粒与床面的碰撞的增加，空中沙粒浓度增加，沙粒在空中发生碰撞的概率变大，进而跃移沙粒能量的消耗增加，从而又使得跃移沙粒与床面的碰撞减少，输沙率变小。

目录

文摘

英文文摘

第一章 引言

1.1研究目的与意义

1.2研究现状概述

1.2.1初速度分布的研究现状

1.2.2输沙率的研究现状

1.2.3风沙流中碰撞的研究现状

1.3本文的主要工作

第二章 对跃移沙粒初速度分布函数的研究

2.1起跳沙粒水平、竖直初速度分布函数

2.2起跳沙粒合初速度的分布函数

2.3小结

第三章 基于初速度分布函数的风沙流模型与计算结果

3.1跃移沙粒的受力分析

3.2沙粒跃移运动方程

3.3风场发展方程

3.4跃移沙粒群对风阻力的计算

3.5风速、输沙率沿高度分布及单宽输沙率的计算

3.6风沙流达到动态平衡的判定条件

3.7输沙率的计算步骤与结果讨论

3.8小结

第四章 跃移沙粒在空中发生碰撞概率的计算

4.1计算跃移沙粒在空中发生碰撞概率的理论模型

4.2跃移沙粒运动方程

4.3不考虑风-沙耦合时跃移沙粒空中碰撞概率的计算

4.3.1不考虑风-沙耦合的风速方程

4.3.2初始条件

4.3.3跃移沙粒在空中碰撞概率p随时间的变化

4.3.4跃移沙粒在跃移上升、下降阶段碰撞概率p随轴线风速的变化

4.3.5跃移沙粒在整个跃移过程碰撞概率p随轴线风速的变化

4.3.6跃移沙粒在跃移上升、下降阶段及整个跃移过程中碰撞概率p随起跳初速度的变化

4.3.7考虑初速度分布时，跃移沙粒在空中发生碰撞的概率

4.4考虑风-沙耦合时跃移沙粒空中碰撞概率的计算

4.4.1跃移沙粒在空中碰撞概率p随时间的变化

4.4.2跃移沙粒在跃移上升、下降阶段及整个过程碰撞概率p随轴线风速的变化

4.4.3考虑风-沙耦合和不考虑风-沙耦合结果的比较

4.5小结

第五章 结论与展望

参考文献

在站期间的主要科研活动

致谢