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《兰州大学》 2012年
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双流体模型中曳力及镜面系数对风沙流结构的影响

陈琦  
【摘要】:从流体力学的角度来看,风沙流是一种典型的气固两相流运动,它的形成依赖于空气和沙这两种不同密度的物理介质之间的相互作用。随着计算机软件、硬件技术和数值计算方法的快速发展,计算流体动力学方法被广泛应用于风沙两相流体动力学特性的分析和研究中。为了研究更加接近实际情况的风沙流运动也为实验研究提供一些分析和数值资料,本文借助FLUENT软件,运用欧拉—欧拉双流体模型,对不同条件下的风沙流运动进行数值模拟。 首先,利用欧拉双流体模型中气固两相流的基本方程,并且对空气相的湍流模型使用标准的κ-ε模型,通过补充包含气固两相之间湍流动量传递的附加项来建立风沙运动的基本控制方程。 其次,在给定的计算区域和边界条件下,对二维挟沙气流进行数值模拟。在三种曳力系数(Syamlal-O'Brien、Wen-Yu和Gidaspow)及不同的沙床厚度、不同的镜面系数条件下分别计算,给出了风沙流达到稳定状态所需的时间,以及在给定空间位置处固体颗粒体积相分数随时间的分布曲线。计算结果显示:运用Syamlal-O'Brien曳力模型模拟得到的值要更接近野外观测和实验测量值;在同一截面处,随着镜面系数的增大,风沙流达到动态平衡的时间有所缩减,沙粒相的体积分数也相应减小,风沙流层厚度也随之减小;随着沙床厚度的增加,在同一时刻同一截面处,同一高度的沙粒相体积分数增大,达到稳定的时间增长,达到稳定时沙粒相体积分数也增大。 最后,通过对以上计算结果的比较分析,选择最合理的参数,并对此进行数值模拟,研究表明:随着时间的发展,风沙流层中的沙粒相体积分数逐步下降,最后达到动态平衡。在达到动态平衡时,沙粒相体积分数沿高度具有“递增—饱和—衰减”的分层规律,且在衰减层中,其分布随着高度增加基本按负指数形式变化。同一位置处沙粒相的体积分数随着时间的发展,呈现出“增大一减小—稳定”的趋势。计算结果与相关文献一致,从而说明该模型可以比较好的描述风沙流运动,并且在一定程度上为沙漠化的防治与理论研究提供了基础。
【学位授予单位】:兰州大学
【学位级别】:硕士
【学位授予年份】:2012
【分类号】:O359

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