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可压缩气流场下风沙数值模拟方法研究

王蕾  
【摘要】:风沙流是气流携带各种不同粒径的沙粒,使沙粒发生不同距离和形式位移的一种现象。风沙地貌是指地面表层松散堆积物被气流风蚀、搬运和沉积的过程所形成的地貌。在沙漠地区,风沙运动与沙貌形成是一种最普遍的沙面运动形式,它的变化过程和气流场的流动特征及沙床面表层的组成形态关系密切,因此,沙纹是沙漠地区地面表层最基本也是最普遍的风沙地貌形态。在一般的情况下,沙纹的几何形状是整齐的且有规律的,但是由于野外的自然环境中风向是不规则的,沙纹的形态也不是完全一致的,气流与沙粒之间的相互影响使得沙纹的形状和风沙地貌非常复杂和多样。 以前对风沙运动的研究多数是野外观测和风洞实验,现在随着计算机技术的飞跃式进步,研究风沙运动机理的主要方法向着数值仿真方向发展。考虑到沙纹形成过程的变化是非常复杂的,数值仿真技术在此基础上建立沙粒运动的本构方程,并将气流场的计算平台与之结合,最后将仿真结果与实验进行比较,给研究人员带来很大的便捷。 由于风沙的运动过程及机理是非常复杂的,利用市场上现有的商业软件很难达到模拟风成沙貌过程的目的。本文为了研究沙床面在气流的作用下,沙纹的形成过程及风成沙貌过程,详细分析了风沙运动的机理并构建了风流场及沙流场的数学模型。首先基于计算流体力学的基本知识阐明了气流场的本构方程,并将可压缩N-S方程离散成二维差分格式,为以后对沙尘暴的模拟研究奠定了理论基础。然后分析了沙粒的几种主要运动形式,包括跳跃、蠕移、悬浮及崩溃条件,并基于此运用动力学知识构建了沙流场的本构方程。而后将气流场的本构方程离散成差分格式并利用C语言实现了可压缩复杂气流场的数值计算平台,最后对气流场和沙流场的数学模型离散化处理后进行弱耦合实现了将计算平台应用到工程实例中。并通过改变仿真模型及气体的复杂性实现了沙漠交叉公路周围沙纹及沙貌的变化过程模拟。


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