風沙流結構參數的PIV測量和數值分析

《風沙流結構參數的PIV測量和數值分析》是依託北京師範大學，由亢力強擔任項目負責人的青年科學基金項目。

基本介紹

• 中文名：風沙流結構參數的PIV測量和數值分析
• 依託單位：北京師範大學
• 項目負責人：亢力強
• 項目類別：青年科學基金項目

項目摘要

擬採用實驗分析和數值模擬研究相結合的方法，研究風沙流結構參數的變化規律。利用PIV測量技術，獲得風速、沙粒速度等基本參數數據，提出風沙流中沙粒體積濃度、輸沙通量、沙粒剪應力、氣相剪應力的計算方法，探索輸沙通量、沙粒平均水平速度和沙粒體積濃度之間相協調的分布規律，為風沙流模擬提供參考數據。建立描述三維風沙流的兩相流體動力學模型及其計算方法，採用三維離散顆粒碰撞模型，來克服二維碰撞模型中沙粒運動的失真；考慮氣流和沙粒間雙向耦合作用以及沙粒間的碰撞作用，直接模擬沙粒的三維碰撞過程，並追蹤每一個沙粒的運動，實現風沙流三維運動的直接數值模擬。根據實驗和計算結果，分析沙粒體積濃度、輸沙通量、沙粒剪應力、氣相剪應力等參數的變化信息，為揭示風沙流動力學過程提供科學依據。

結題摘要

通過風洞實驗和數值模擬方法研究了風沙流結構參數的變化規律。實驗方面，在風洞內進行了風沙流結構參數的PIV實驗測量，根據獲得的風速、沙粒速度等基本數據提出基於PIV測量的沙粒體積濃度、輸沙通量、沙粒剪應力和氣相剪應力的計算方法，並給出一種計算沙粒體積濃度的基於顆粒計數的改進方法，其考慮了沙粒平均粒徑隨高度的變化以及片光源厚度的光學確定方法；實驗分析得到了風速、沙粒平均水平速度、沙粒體積濃度、輸沙通量、沙粒剪應力和氣相剪應力的垂向分布，沙粒體積濃度和輸沙通量在較高高度處近似指數規律衰減，在較低高度處偏離指數規律而增加，沙粒剪應力隨高度增加而減小，氣相剪應力隨高度增加而增大；研究了輸沙通量、沙粒體積濃度和沙粒平均水平速度之間相協調的垂向分布函式，沙粒平均水平速度的垂向分布可表示為冪函式，輸沙通量和沙粒體積濃度的垂向分布可表示為冪函式-指數函式的組合形式；還分析了上升和下降運動沙粒的體積濃度、水平輸沙通量和垂直輸沙通量的垂向分布特徵，上升沙粒的體積濃度小於下降沙粒的體積濃度，下降沙粒對總水平輸沙通量的貢獻最大。數值模擬方面，建立了描述三維風沙流的離散顆粒模型，其考慮氣流和沙粒間雙向耦合作用以及沙粒間的三維碰撞過程，顆粒碰撞採用三維軟球模型，來克服二維碰撞模型中沙粒運動的失真，計算中追蹤每一個沙粒的三維運動，從而實現風沙流三維運動的模擬；模擬得到的沙粒體積濃度、輸沙通量、沙粒剪應力、氣相剪應力等參數的垂向變化規律與實驗結果一致；如果計算區域的長度大於200倍粒徑，計算區域的寬度大於6倍粒徑，那么可以獲得與計算區域無關的結果；比較了兩種分別來自於顆粒相雷諾應力和顆粒粘性阻力的沙粒剪應力，在近地面附近來自於顆粒相雷諾應力的沙粒剪應力小於來自於顆粒粘性阻力的沙粒剪應力，在其他高度這兩種沙粒剪應力基本相等；還分析了沙粒二維和三維運動模型的差別，三維運動模擬可以改善二維模擬的結果，應當優先使用沙粒三維運動模型。