坡面地表上风沙跃移运动的数值模拟

摘要

风沙运动系统是一个具有多尺度、多场耦合的非线性随机系统。同时，复杂地表形态影响近地表的湍流流场特征及沙粒输运特性，因此，风沙运动研究中需要考虑非平坦地表这一重要因素。近地表湍流风场因其随机性和间歇性等特征使得在野外环境中很难实现地表形态对湍流特征及沙粒输运影响的实时、同步观测，而易于控制的风洞实验由于尺寸限制无法得到与野外实际情况相符的高雷诺数湍流流场。目前，数值仿真是实现实时观测整个流场特征的有效途径。因此，本论文开展非平坦地表及湍流风场影响下的风沙流动力特征的数值仿真研究成为了揭露自然环境下风沙运动特征的重要手段，进而从机理上研究和分析地表形态、湍流场、沙粒运动之间的相互作用和互馈机制。
　　新月形沙丘作为复杂地表的典型代表，本文以新月形沙丘横剖面作为基本的地表形态，针对新月形沙丘地形上湍流风场作用下风沙跃移运动的动力特性，建立了地表、风场、沙粒运动耦合模型，得到了坡面地表形态上沙粒输运规律和湍流流场结构，进而为实际风沙流的预测提供理论依据。本博士论文具体研究内容如下：
　　1.开展坡面地表形态上风沙运动的风洞实验测量。采用相位多普勒粒子分析仪（Phase Doppler Particle Analyzer，简称PDPA）在风洞中测量坡面地表形态上风速的变化特征。同时，采用粒子图像测速仪（Particle Image Velocimetry，简称PIV）测量坡面地表不同位置处的起沙率，采用集沙仪测量坡面不同位置处的输沙率，从而为数值计算的验证提供实验支撑。实验结果表明坡面地表迎风坡起沙率和输沙率都大于平坦地表情况下的起沙率和输沙率。
　　2.考虑地表形态对风沙流的影响特征，建立了坡面地表形态上风沙跃移运动的二维耦合模型。本模型采用压力耦合方程半隐式方法（Semi-Implicit Method for Pressure-Linked Equations，简称SIMPLE）求解Navier-Stokes方程计算风场，通过追踪单颗沙粒运动计算沙粒运动轨迹，考虑风沙耦合作用，并基于浸入边界法对坡面地表边界进行逼近。通过风沙跃移运动二维耦合模型计算并讨论了坡面地表形态上不同截面处的风速、输沙率等物理量的变化特征，分析了坡面地表形态上风沙跃移运动对风场的影响，并基于风洞实验结果进行验证。
　　3.针对湍流与沙粒输运的相互作用，基于坡面地表风沙跃移运动数值模型需要考虑湍流这一影响因素。本章采用大涡模拟方法计算平坦地表湍流场，并根据 Fackrell and Robins（1982）风洞实验中平均速度、湍动能和脉动速度的观测结果验证本论文湍流风场模型计算代码ARPS的准确性及可适用性。
　　4.针对坡面地表形态和湍流风场对风沙跃移运动的影响，建立坡面地表形态上的风沙跃移运动三维湍流模型，分析讨论了湍流作用下坡面地表上沙粒输运规律。
　　总之，通过对坡面地表风沙跃移运动规律的研究，揭示了坡面地表形态、沙粒输运、湍流风场之间的复杂相互作用。通过本文的研究，初步显示了地表形态和湍流风场对风沙运动影响效应这一复杂力学问题的分析方法，为更加深入地研究自然环境中复杂地表形态下的沙粒输运奠定了基础。

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中文摘要

英文摘要

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第一章 绪论

1.1 研究背景和意义

1.2 研究现状和综述

1.3 本文工作的主要内容

第二章 坡面地表上风沙跃移运动的风洞实验

2.1 实验布置

2.2 结果分析和讨论

2.3 小结

第三章 基于SIMPLE 算法的坡面风沙跃移运动

3.1 基于SIMPLE算法的风场计算

3.2 单颗沙粒运动方程

3.3 粒床碰撞

3.4 计算流程

3.5 坡面地表风沙跃移运动的风洞实验

3.6 计算结果与讨论

3.7 小结

第四章 大涡模拟代码验证

4.1 ARPS系统简介

4.2 基本假设及近似

4.3 变量定义和坐标系统

4.4 ARPS代码网格划分

4.5 大涡模拟

4.6 边界条件

4.7 初始条件

4.8 ARPS代码验证

4.9 小结

第五章 湍流作用下的复杂地表上风沙跃移运动

5.1 风场控制方程

5.2 单颗沙粒的运动方程

5.3 粒床碰撞

5.4 坡面地表的风沙跃移耦合模型

5.5 结果和讨论

5.6小结

第六章 结束语

参考文献

在学期间的研究成果

致谢