《陣風場中非定常大氣湍流對沙粒躍移運動的影響》是依託西北大學，由楊斌擔任項目負責人的青年科學基金項目。
基本介紹
- 中文名：陣風場中非定常大氣湍流對沙粒躍移運動的影響
- 項目類別：青年科學基金項目
- 項目負責人：楊斌
- 依託單位：西北大學
項目摘要,結題摘要,
項目摘要
野外陣風具有大尺度結構的非定常特徵和小尺度結構的高頻脈動特性，是造成野外觀測、風洞實驗及數值模擬的結果彼此偏差極大的主要因素。本項目立足於復現野外陣風環境，在風沙躍移微觀研究與巨觀研究相結合的基礎上，分析陣風狀態下風沙流場中大氣湍流的非定常特性及其對沙粒躍移運動的影響。研究採用風洞實驗輔以數值模擬的方法，套用現代光學測量手段，發展全新的陣風狀態下風沙流兩相速度場及沙粒相濃度場的光學測量方法，開發高濃度沙粒相粒子圖像識別及速度處理算法，分析陣風場中非定常大氣湍流脈動對不同粒徑沙粒躍移的影響形式和效果，建立脈動尺度範圍內風沙流兩相耦合作用模型，測定陣風狀態下風沙流中沙粒相濃度與風速脈動的回響關係，探討非定常大氣湍流對輸沙率的影響，為進一步深入研究風沙躍移運動，發展更具普適性的理論體系奠定基礎，增強風沙動力學風洞實驗與數值模擬研究在防風治沙工程實踐中的實用性。
結題摘要
研究基本按計畫進行。 陣風的風洞模擬最初在西安交通大學流體機械及工程國家專業實驗室室的雙實驗段大氣邊界層風洞中進行。在進行風機慣性及周期性變速測試時發現，大功率動力風機葉片慣性對風速變化影響明顯，不能滿足模擬陣風的要求。鑒於此，項目組設計建設了一座雙風機驅動的大氣邊界層風洞，並設計加工了風洞測試系統控制櫃。基於此初步模擬得到了間歇性陣風與較紊亂變化的風場，相關數據正在整理髮表中。 在大氣邊界層風洞內採用高速相機記錄了時均風速線性上升的來流條件下運動沙粒的圖像，通過圖像處理得到風沙流的瞬時含沙量。獲取圖像的同時，使用熱線測量風速變化。實驗結果表明，風沙流中的瞬時含沙量總是非穩定的，其變化頻率至少在100Hz以上。風沙之間的相互作用存在一定的滯後效應，大氣湍流脈動對含沙量的作用與沙粒粒徑相關，粒徑越小，風速脈動作用越大。當粒徑≤160μm時，風速的微小變化即可引起含沙量的明顯波動，二者高度相關。當粒徑較大的時候，如300-500μm，只有較長時間較大幅度的風速脈動才能使含沙量有較大幅度的變化，研究時均風速變化對含沙量的影響更具有意義。 在非定常風沙輸移過程中，結合非接觸式光學測量這一前提，沙粒運動表現出以下特點：(1)由於局部湍流及顆粒碰撞的作用，任何範圍的顆粒群表現為非協同運動，即無法用連續假設或格線動量守恆方法對顆粒運動進行預估判斷；(2)任一瞬時（兩幀連續圖像），由於風沙流的邊界層流動屬性，顆粒濃度與速度二者同時存在較大空間梯度；(3)任一段採集時間內（若干幀連續圖像），由於風場的非定常性，個體顆粒的幀間運動存在較大時間梯度。針對上述特點，粒子圖像算法開發工作如下1、基於連續介質假設，對基於鬆弛疊代的粒子追蹤算法（RM-PTV）進行改進，針對處理高空運動的局部協同運動性較強的躍移顆粒；2、發展了不依賴於連續性假設的新算法，使其適用於存在較大時空梯度的粒子時序圖像。 天然沙粒的形狀都是不規則且變化不定的，根據兩類形狀係數對阻力係數加以修正，分析了形狀係數修正後的模擬結果與採用球形假設的模擬結果之間的差異，並與真實沙粒躍移軌跡的實驗結果進行了對比。結果顯示沙粒形狀因素對沙粒躍移的影響是不能忽略的。當粒徑大於160μm時，兩種修正方法得到的計算結果與實驗軌跡基本一致，而當粒徑≤160μm，採用基於顆粒阻力的形狀係數，將沙粒轉化為球形的修正方法得到結果更接近實際。
