坡面地表上風(fēng)沙躍移運(yùn)動(dòng)的數(shù)值模擬.pdf

1、風(fēng)沙運(yùn)動(dòng)系統(tǒng)是一個(gè)具有多尺度、多場(chǎng)耦合的非線性隨機(jī)系統(tǒng)。同時(shí)，復(fù)雜地表形態(tài)影響近地表的湍流流場(chǎng)特征及沙粒輸運(yùn)特性，因此，風(fēng)沙運(yùn)動(dòng)研究中需要考慮非平坦地表這一重要因素。近地表湍流風(fēng)場(chǎng)因其隨機(jī)性和間歇性等特征使得在野外環(huán)境中很難實(shí)現(xiàn)地表形態(tài)對(duì)湍流特征及沙粒輸運(yùn)影響的實(shí)時(shí)、同步觀測(cè)，而易于控制的風(fēng)洞實(shí)驗(yàn)由于尺寸限制無(wú)法得到與野外實(shí)際情況相符的高雷諾數(shù)湍流流場(chǎng)。目前，數(shù)值仿真是實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)觀測(cè)整個(gè)流場(chǎng)特征的有效途徑。因此，本論文開(kāi)展非平坦地表及湍流

2、風(fēng)場(chǎng)影響下的風(fēng)沙流動(dòng)力特征的數(shù)值仿真研究成為了揭露自然環(huán)境下風(fēng)沙運(yùn)動(dòng)特征的重要手段，進(jìn)而從機(jī)理上研究和分析地表形態(tài)、湍流場(chǎng)、沙粒運(yùn)動(dòng)之間的相互作用和互饋機(jī)制。
　　新月形沙丘作為復(fù)雜地表的典型代表，本文以新月形沙丘橫剖面作為基本的地表形態(tài)，針對(duì)新月形沙丘地形上湍流風(fēng)場(chǎng)作用下風(fēng)沙躍移運(yùn)動(dòng)的動(dòng)力特性，建立了地表、風(fēng)場(chǎng)、沙粒運(yùn)動(dòng)耦合模型，得到了坡面地表形態(tài)上沙粒輸運(yùn)規(guī)律和湍流流場(chǎng)結(jié)構(gòu)，進(jìn)而為實(shí)際風(fēng)沙流的預(yù)測(cè)提供理論依據(jù)。本博士論文具體研

3、究?jī)?nèi)容如下：
　　1.開(kāi)展坡面地表形態(tài)上風(fēng)沙運(yùn)動(dòng)的風(fēng)洞實(shí)驗(yàn)測(cè)量。采用相位多普勒粒子分析儀（Phase Doppler Particle Analyzer，簡(jiǎn)稱PDPA）在風(fēng)洞中測(cè)量坡面地表形態(tài)上風(fēng)速的變化特征。同時(shí)，采用粒子圖像測(cè)速儀（Particle Image Velocimetry，簡(jiǎn)稱PIV）測(cè)量坡面地表不同位置處的起沙率，采用集沙儀測(cè)量坡面不同位置處的輸沙率，從而為數(shù)值計(jì)算的驗(yàn)證提供實(shí)驗(yàn)支撐。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明坡面地表迎風(fēng)坡起

4、沙率和輸沙率都大于平坦地表情況下的起沙率和輸沙率。
　　2.考慮地表形態(tài)對(duì)風(fēng)沙流的影響特征，建立了坡面地表形態(tài)上風(fēng)沙躍移運(yùn)動(dòng)的二維耦合模型。本模型采用壓力耦合方程半隱式方法（Semi-Implicit Method for Pressure-Linked Equations，簡(jiǎn)稱SIMPLE）求解Navier-Stokes方程計(jì)算風(fēng)場(chǎng)，通過(guò)追蹤單顆沙粒運(yùn)動(dòng)計(jì)算沙粒運(yùn)動(dòng)軌跡，考慮風(fēng)沙耦合作用，并基于浸入邊界法對(duì)坡面地表邊界進(jìn)行逼近。

5、通過(guò)風(fēng)沙躍移運(yùn)動(dòng)二維耦合模型計(jì)算并討論了坡面地表形態(tài)上不同截面處的風(fēng)速、輸沙率等物理量的變化特征，分析了坡面地表形態(tài)上風(fēng)沙躍移運(yùn)動(dòng)對(duì)風(fēng)場(chǎng)的影響，并基于風(fēng)洞實(shí)驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行驗(yàn)證。
　　3.針對(duì)湍流與沙粒輸運(yùn)的相互作用，基于坡面地表風(fēng)沙躍移運(yùn)動(dòng)數(shù)值模型需要考慮湍流這一影響因素。本章采用大渦模擬方法計(jì)算平坦地表湍流場(chǎng)，并根據(jù) Fackrell and Robins（1982）風(fēng)洞實(shí)驗(yàn)中平均速度、湍動(dòng)能和脈動(dòng)速度的觀測(cè)結(jié)果驗(yàn)證本論文湍流風(fēng)場(chǎng)模

6、型計(jì)算代碼ARPS的準(zhǔn)確性及可適用性。
　　4.針對(duì)坡面地表形態(tài)和湍流風(fēng)場(chǎng)對(duì)風(fēng)沙躍移運(yùn)動(dòng)的影響，建立坡面地表形態(tài)上的風(fēng)沙躍移運(yùn)動(dòng)三維湍流模型，分析討論了湍流作用下坡面地表上沙粒輸運(yùn)規(guī)律。
　　總之，通過(guò)對(duì)坡面地表風(fēng)沙躍移運(yùn)動(dòng)規(guī)律的研究，揭示了坡面地表形態(tài)、沙粒輸運(yùn)、湍流風(fēng)場(chǎng)之間的復(fù)雜相互作用。通過(guò)本文的研究，初步顯示了地表形態(tài)和湍流風(fēng)場(chǎng)對(duì)風(fēng)沙運(yùn)動(dòng)影響效應(yīng)這一復(fù)雜力學(xué)問(wèn)題的分析方法，為更加深入地研究自然環(huán)境中復(fù)雜地表形態(tài)下的沙