坡面地表上風沙躍移運動的數(shù)值模擬.pdf

1、風沙運動系統(tǒng)是一個具有多尺度、多場耦合的非線性隨機系統(tǒng)。同時，復雜地表形態(tài)影響近地表的湍流流場特征及沙粒輸運特性，因此，風沙運動研究中需要考慮非平坦地表這一重要因素。近地表湍流風場因其隨機性和間歇性等特征使得在野外環(huán)境中很難實現(xiàn)地表形態(tài)對湍流特征及沙粒輸運影響的實時、同步觀測，而易于控制的風洞實驗由于尺寸限制無法得到與野外實際情況相符的高雷諾數(shù)湍流流場。目前，數(shù)值仿真是實現(xiàn)實時觀測整個流場特征的有效途徑。因此，本論文開展非平坦地表及湍流

2、風場影響下的風沙流動力特征的數(shù)值仿真研究成為了揭露自然環(huán)境下風沙運動特征的重要手段，進而從機理上研究和分析地表形態(tài)、湍流場、沙粒運動之間的相互作用和互饋機制。
　　新月形沙丘作為復雜地表的典型代表，本文以新月形沙丘橫剖面作為基本的地表形態(tài)，針對新月形沙丘地形上湍流風場作用下風沙躍移運動的動力特性，建立了地表、風場、沙粒運動耦合模型，得到了坡面地表形態(tài)上沙粒輸運規(guī)律和湍流流場結(jié)構(gòu)，進而為實際風沙流的預測提供理論依據(jù)。本博士論文具體研

3、究內(nèi)容如下：
　　1.開展坡面地表形態(tài)上風沙運動的風洞實驗測量。采用相位多普勒粒子分析儀（Phase Doppler Particle Analyzer，簡稱PDPA）在風洞中測量坡面地表形態(tài)上風速的變化特征。同時，采用粒子圖像測速儀（Particle Image Velocimetry，簡稱PIV）測量坡面地表不同位置處的起沙率，采用集沙儀測量坡面不同位置處的輸沙率，從而為數(shù)值計算的驗證提供實驗支撐。實驗結(jié)果表明坡面地表迎風坡起

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)對風沙流的影響特征，建立了坡面地表形態(tài)上風沙躍移運動的二維耦合模型。本模型采用壓力耦合方程半隱式方法（Semi-Implicit Method for Pressure-Linked Equations，簡稱SIMPLE）求解Navier-Stokes方程計算風場，通過追蹤單顆沙粒運動計算沙粒運動軌跡，考慮風沙耦合作用，并基于浸入邊界法對坡面地表邊界進行逼近。

5、通過風沙躍移運動二維耦合模型計算并討論了坡面地表形態(tài)上不同截面處的風速、輸沙率等物理量的變化特征，分析了坡面地表形態(tài)上風沙躍移運動對風場的影響，并基于風洞實驗結(jié)果進行驗證。
　　3.針對湍流與沙粒輸運的相互作用，基于坡面地表風沙躍移運動數(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算平坦地表湍流場，并根據(jù) Fackrell and Robins（1982）風洞實驗中平均速度、湍動能和脈動速度的觀測結(jié)果驗證本論文湍流風場模

6、型計算代碼ARPS的準確性及可適用性。
　　4.針對坡面地表形態(tài)和湍流風場對風沙躍移運動的影響，建立坡面地表形態(tài)上的風沙躍移運動三維湍流模型，分析討論了湍流作用下坡面地表上沙粒輸運規(guī)律。
　　總之，通過對坡面地表風沙躍移運動規(guī)律的研究，揭示了坡面地表形態(tài)、沙粒輸運、湍流風場之間的復雜相互作用。通過本文的研究，初步顯示了地表形態(tài)和湍流風場對風沙運動影響效應這一復雜力學問題的分析方法，為更加深入地研究自然環(huán)境中復雜地表形態(tài)下的沙