沙粒跃移轨迹的数值模拟与实验研究

【摘要】：本文工作包括以下两部分内容:使用计算流体力学通用软件FLUENT进行风沙动力学微观领域的数值模拟。先讨论Saffman升力对跃移颗粒的轨迹影响,在此基础上讨论湍流脉动对颗粒轨迹的影响,并与课题组成员在韩国浦项工科大学实验流体控制与生物流体实验室风洞实验得到的实验数据结果相比较。得出实验沙床面粗糙度z_0同实际沙床粗糙度z_0之间的数学关系。使用复杂跃移轨迹—逆风反跳验证这一数学关系的正确性。 本文首先从所要研究的实际问题出发,比较了两种研究风沙动力学的模型,选择描述风沙动力学的离散相拉格朗日模型作为数值模拟模型,采用其中优化方法—随机轨道模型(Stochastic Trajectory Model)进行跃移沙粒轨迹数值模拟。在分析颗粒受力的基础上,对Saffman升力对跃移颗粒的轨迹影响进行了数值模拟,得到了在跃移沙粒运动过程中,可以忽略Saffman升力的结论。 在此结论基础上进一步讨论了湍流脉动对跃移沙粒轨迹的影响,在粒径为500um—200um范围内,湍流脉动的影响可以近似忽略,在同一摩阻风速的条件下,随着粒径的减小,湍流脉动的影响日趋显著;并得到跃移距离、跃移高度及其两者之比随沙粒粒径及摩阻风速的变化规律。当颗粒粒径≤160um时,颗粒的轨迹线在下降段有向上凸的趋势,轨迹线开始变得不光滑,但仍保持跃移状态,这时就应开始考虑湍流脉动对轨迹的影响。 结合课题组在韩国浦项工科大学实验流体控制与生物流体实验室风洞实验得到的实验数据,进行三条轨迹数值模拟与实验的对比,并得到实验测得z_0同数值模拟z_0之间的数值关系,误差不大于10%,并使用复杂的粒子轨迹—逆风反跳做两者关系的验证,误差为8.9%,一方面验证两者关系的正确性。另一方面验证了数值模拟的可靠性。