风沙运输中湍流风场与颗粒运动的耦合机理

摘要

土地荒漠化和沙尘暴自然灾害严重影响着我国北方干旱半干旱地区人们的生产生活，为此党和政府都采取了许多有效措施治沙防沙。地表沙粒在风力作用下在地表附近做跃移运动从而形成的风沙流动，是导致土壤风蚀地貌与沙尘暴等风沙灾害产生的主要动因，因此，治沙防沙工程和风沙物理学领域的研究重点在于对风沙跃移运动的力学机理的研究。本文在同时考虑了风沙跃移边界层中的风场具有湍流的特性和跃移沙粒与风场的相互耦合作用的基础上，建立了风场-沙粒相互耦合作用的跃移运动数学模型，采用有限容积法数值模拟了湍流风场条件下的风沙跃移层中的质量流量的垂向分布和风场-沙粒耦合机制作用下风沙跃移层中的风速廓线。本文的主要研究内容如下：
　　 1.通过对风沙跃移运动力学运动机理研究现状的分析，指出目前对风沙跃移运动进行数值模拟研究方面中的不足之处：以往建立的风-沙跃移运动的理论数学模型中很少同时考虑风沙跃移边界层中的风场具有湍流的特性和跃移沙粒与风场的相互耦合机制作用。
　　 2.在考虑跃移沙粒受到大气边界层风场湍流特性影响的基础上，通过对沙粒在跃移运动过程中受到的各种作用力进行定量分析，建立了风沙跃移层中跃移沙粒的跃移运动的控制方程。
　　 3.在风场的时均控制方程的基础上，引入能反映风场湍流特性的κ-ε双方程模型使时均控制方程封闭，考虑风沙跃移运动过程中风沙耦合作用，在非稳态N-S动量方程中添加了跃移沙粒对单位体积风场的阻滞力，建立了风沙跃移层内的风场控制方程。
　　 4.通过有限容积法对湍流风场控制方程及其边界条件进行离散，采用SIMPLE算法对离散方程进行数值求解，得到风沙跃移层内不同高度处的输沙量以及风速。
　　 5.对不同沙粒粒径、不同摩阻风速条件下的风沙跃移运动进行数值模拟，将数值模拟结果与前人的风洞实验结果进行对比分析，证实所建立的风一沙耦合跃移运动理论模型合理、可行；数值模拟结果说明湍流风场与风沙耦合作用对输沙量与风速的垂向分布有很大的影响。