風沙運動的三維直接數值模擬

《風沙運動的三維直接數值模擬》是依託中國科學院力學研究所，由劉大有擔任項目負責人的面上項目。

基本介紹

• 中文名：風沙運動的三維直接數值模擬
• 項目類別：面上項目
• 項目負責人：劉大有
• 依託單位：中國科學院力學研究所

項目摘要

採用直接模擬方法研究風沙兩相流，可以同時模擬顆粒的躍移運動和蠕移運動，以及它們的耦合效應。採用軟球模型可以克服模擬多體碰撞的困難。直接模擬的主要困難是計算量非常大，採用二維碰撞模型（顆粒被限定在一個平面內運動）可以有效減少計算量，但是，模擬結果在某些方面有較明顯失真。.本項目將採用三維碰撞模型的、直接跟蹤每個顆粒運動的方法模擬風沙運動。為儘量減少計算量，需要進行一些探索性研究：減小計算域及其限制，研究邊界條件，等等。.本項目將給出顆粒的各種統計量在流場中的垂向分布，包括固相濃度和輸沙通量沿垂向的分布，固相的平均速度及其沿垂向的梯度，固相雷諾應力，固相碰撞應力，碰撞頻率，等等，研究這些量在蠕移層和躍移層的分布特點，尋找一個分界蠕移層與躍移層的更科學方法。

結題摘要

沙粒運動採用離散顆粒模型、氣體流動採用歐拉模型研究了風沙兩相流，在這過程中同時模擬了顆粒的躍移運動和蠕移運動，以及它們之間的耦合效應。顆粒碰撞採用三維的軟球模型，軟球模型可以克服模擬多體碰撞的困難，三維碰撞模型可以克服二維碰撞模型的諸多不足，其中最主要是顆粒濃度沿高度方向減小得比較慢，以及由此引起的輸沙通量沿高度方向減小得也比較慢。採用以上模型模擬風沙兩相流動的主要困難是計算量非常大。 本項目研究的風沙流場，在巨觀上是定常的、展向(y方向)無限伸展的、流向(x方向)流動是充分發展的，也就是說，不論是氣相還是顆粒相，它們的巨觀參數都只是垂向(z方向)的函式（一維定常流動），但是，由於我們採用的是離散顆粒模型，模擬過程中涉及到每個顆粒的運動，這些顆粒的運動卻是非定常的、三維的。從巨觀考慮，模擬計算中展向和流向的計算域可以很小，採用周期開拓的方式可以拓展到無限遠處，但在實際計算中計算域不能太小。為了減小計算量，探索合理的計算域大小是這類數值模擬必須解決的首要問題。對於我們模擬的大多數算例來說（粒徑=0.16mm—0.25mm，主要是0.2mm，上邊界的剪下應力=2.5Pa—7.5Pa），採用長=150粒徑，寬=10倍粒徑，高=0.3m這么大的計算域基本上是適當的。 對模擬計算給出的大量數據進行統計分析，得到了氣相速度、氣相剪下應力、顆粒相平均速度、顆粒相剪下應力、顆粒相數密度（或者說濃度）、輸沙通量、顆粒相剪下應力和總剪下應力（兩相剪下應力之和）的垂向分布，以及單寬輸沙率。結果表明，從上到下氣相剪下應力逐漸減小、顆粒相剪下應力逐漸增加，而總剪下應力隨高度基本上不變，這說明動量守恆原理在我們的模擬過程中很好地得到遵守，從一個方面反映了計算是可信的（由於計算中涉及的很多物性參數未必可靠，所以，計算結果在定量上未必可信）。 受到EDEM軟體的限制（也與採用軟球碰撞模型有關），我們沒能統計得到顆粒碰撞頻率，也沒能得到顆粒相的碰撞應力。