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风沙运动中沙粒跃移的数值模拟研究

王银振  
【摘要】:荒漠化已成为世界范围内重要的环境问题,在我国有着大片的土地正面临荒漠化的威胁。而对荒漠化的研究,主要内容为风沙流中沙粒的跃移运动的研究。 本论文从单颗沙粒在近地层内的受力分析出发,根据物理定律建立沙粒跃移的运动方程,并考虑摩阻速度等参数对轨迹的影响规律。发现随着摩阻速度变大,沙粒跃移的跃高变小,跃距变大。粗糙度变大则会导致沙粒的跃距变小,落地时的动能减小。含沙的风比不含的危害更大。 本论文在上述研究内容的基础上进一步建立了风沙电场的跃移运动方程,分析电场力在风沙电场中,与其它各力的比值随高度变化情况以及电场力对轨迹的影响。根据数值模拟结果,得到以下结论:沙粒在风沙电场中的跃移过程中,比值最大的点拖曳力一般比电场力大两个数量级;重力比电场力大一个数量级;Magnus力取决于旋转速度,800r/s时可达到跟电场力同级;Saffman力至少比电场力小一个数量级。跃移过程中拖曳力起主要作用,其次为重力。电场力的作用受跃移高度的影响较大,跃高较大时电场力的作用会相对的减小。Magnus力取决于沙粒旋转速度的大小,当旋转速度为800r/s时会超越电场力。Saffman力只在离地面很近的速度梯度变化较大的距离内作用较大。这些结论对风沙运动的研究有一定的理论及实际意义。


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