风沙流运动特性的SPH数值研究

作     者：闻腾腾 

作者单位：新疆大学 

学位级别：硕士

导师姓名：金阿芳

授予年度：2021年

学科分类：07[理学] 0706[理学-大气科学] 0713[理学-生态学] 

主      题：SPH 数值计算 气固耦合 风沙两相流 不同地表 风洞试验 

摘      要：风沙流运动是一种具有自组织、多尺度、复杂、且非线性的气固两相流运动,不同地表形态对沙粒运动特性以及气体流场特性有不同影响。本文基于SPH方法,采用数值计算手段从微观机理上对不同沙床下风沙流运动特性进行分析:首先对SPH方法模拟风沙流运动中出现局部沙粒簇聚问题进行优化以及对核函数进行最优选取,其次对平坦沙床下风沙流运动进行分析,并结合实验与研究结果进行对比,最后对非平坦沙床下风沙流运动进行分析。具体内容如下:（1）对SPH方法模拟风沙流运动过程中出现的局部粒子簇拥问题进行优化,引入张力修正项,使得粒子在拉伸或者压缩时添加了一个短暂的人工力,以此来消除原子之间产生的排斥或吸引力;对SPH方法核函数进行最优选取。（2）研究平坦沙床下沙粒运动轨迹得出,沙粒的运动轨迹呈现对称及非对称的抛物线形轨迹,随着风速的增加,沙粒的跃移高度及长度均增加,沙粒的跃移高度及长度随沙粒在沙床位置的上升呈增大趋势;对沙粒的运动速度进行分析得出,沙粒水平速度及垂向速度在风沙流起动阶段随沙粒在沙床位置的上升及摩阻风速的增加而增加,当气体中沙粒粒子达到一定程度时,沙粒粒子垂向速度则出现不同变化。（3）对平坦沙床下沙粒数进行分析得出,沙粒数在不同时刻随高度的增加呈减小趋势,随着摩阻风速的增加,沙粒数含量整体呈增大趋势,且空气中沙粒数的衰减率呈减小趋势;分析沙粒粒子对气体粒子影响得出,气体粒子首先在计算域前端以及与沙粒粒子接触部分出现局部涡流现象,并且涡流现象随着时间的推移向后运动。（4）采用高速摄像机对风洞中沙粒的运动轨迹进行分析,同时利用集沙仪测量沙床上不同位置处的输沙率,分析实验前后沙床面的变化,为SPH方法模拟风沙运动提供了实验验证。（5）对非平坦沙床下沙粒粒子运动分析可得,迎风坡坡面沙粒粒子跃移高度及长度高于背风侧沙粒粒子,且随着迎风坡位置的上升沙粒粒子跃移高度及长度均增加,随着坡面个数的增加,沙粒粒子跃移高度及长度随坡面靠后呈减小趋势;对沙粒数统计得出,迎风坡各位置处沙粒的起跳及运输整体随坡面位置的上升而增大,随着坡面个数增加,第一坡面会对之后的坡面起到一定的保护作用,故靠后的坡面各位置处沙粒数整体较小于第一坡面。（6）对非平坦沙床下气体粒子运动分析得出,不同地表形态下对气体粒子作用也不尽相同,迎风坡会对气体粒子起到抬升作用,在背风坡一侧更容易形成涡流现象。在多坡面情况下,涡流现象更容易出现在两坡面之间,这也是两坡面之间的沙粒更容易起跳的原因之一。