沙粒跃移轨迹的数值模拟研究

作     者：张红叶 

作者单位：西安建筑科技大学 

学位级别：硕士

导师姓名：张鸿雁

授予年度：2009年

学科分类：080704[工学-流体机械及工程] 08[工学] 0807[工学-动力工程及工程热物理] 

主      题：跃移运动 湍流强度 形状系数 风洞实验 

摘      要：单颗沙粒的运动规律是联系风沙流宏观研究和微观研究的纽带。在沙粒运动的三种基本方式(跃移,悬移和蠕移)中,以跃移运动最为重要。本文比较了常用的描述气固两相流流动的数学模型,选用能够真实描述沙粒运动特征的离散相模型(Discrete Particle Model)进行沙粒跃移轨迹的数值模拟。 从来流的风场结构出发,分析了不同的风场结构对沙粒连续跃移轨迹的影响,得出在对数风速廓线和周期性正弦条件下沙粒连续跃移的次数要比实测沙漠环境阵风条件下少一次,说明来流的波动对沙粒跃移的轨迹有显著影响。在此基础上,讨论了湍流强度和平均风速对沙粒跃移轨迹的影响,得出当湍流强度和平均风速一定时,粒径小于等于临界粒径时沙粒的跃移轨迹不是光滑的抛物线;粒径大于临界粒径时沙粒的跃移轨迹明显为光滑的抛物线,因而数值计算时只需要考虑小于等于临界粒径的湍流影响;当来流湍流强度一定时,临界粒径随着平均风速的增大而增大;当平均风速一定,临界粒径在200μm以下时,随着湍流强度的增大临界粒径增大,当临界粒径在200μm以上时,随着湍流强度的增大临界粒径不再变化。 采用HL模型和沙粒的球形系数修正方法,进行了沙粒形状因素对跃移轨迹的影响的数值计算,并与沙粒跃移轨迹高速摄影实验做了比较,结果表明,不考虑沙粒形状因素得到的轨迹与实验轨迹偏差很大,HL模型模拟的轨迹与实验轨迹的偏差主要表现在水平方向上,垂直方向上一致性良好;利用沙粒球形系数修正法得到的模拟轨迹与实验轨迹在粒径为200～300μm时,沙粒跃移高度和跃移距离与实验数据的误差分别为0.2%和3.5%;当粒径为100～125μm时,为12.4%和0.16%。