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风沙跃移运动中若干问题的数值研究

闫光虎  
【摘要】: 荒漠化作为一个全球性的重大环境问题,其主要表现形式是沙粒在风场作用下的运动,而风沙运动有是土壤风蚀和沙尘暴起动与发展的主要动因,因此对风沙运动特性的研究是当前风沙物理学和防沙治沙工程关注的重要课题之一。本学位论文从描述风沙运动过程的多场耦合数学模型出发,对沙粒在跃移过程中的受力进行了定量分析,并对脉动风场下的沙粒跃移轨迹和输沙量进行了数值模拟。主要研究内容如下: 1.通过对稳定风场下风沙电多场耦合沙粒跃移运动的数值模拟,将沙粒在运动过程中所受各种作用力进行了定量分析,讨论了沙粒所受各种作用力随沙粒径、初始旋转角速度和初始起跳速度的变化规律。结果表明:阻力一般情况下大于重力,甚至高达重力的几倍;静电力约为重力的20%以上;Magnus力大多数情况下约为重力的10%~70%;Saffman力一般仅在沙粒重力的10%以内。 2.通过对Langevin方程描述脉动风场与实测风场数据的分析比较,验证了Langevin方程描述风场脉动的可行性。进一步研究了脉动风场下沙粒的跃移运动轨迹特性,结果表明:脉动风场对沙粒的跃移运动轨迹有着显著的影响,当粒径较大时,沙粒跃移运动的轨迹呈光滑的抛物线型,但随着沙粒粒径的减小,风场的脉动对其跃移轨迹的影响越来越大,其跃移运动的轨迹由抛物线逐渐变为不规则曲线。并利用风场—沙粒运动耦合的理论模型,对脉动风场下的风沙流结构进行了数值模拟。结果表明:考虑脉动风场情况下输沙量的数值模拟结果比不考虑脉动风场情况下输沙量的数值模拟结果更接近实验值。此外,摩阻风速和沙粒粒径对输沙量有着显著的影响。此外,脉动风场下输沙量沿地表高度的分布也呈现出明显的分层特性,且摩阻风速和沙粒粒径对输沙量的分布规律亦有着显著的影响。


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