风沙流中湍流与沙粒运动的相互影响研究

This project is aimed at the three-dimensional wind-blown sand ---streamers in serious desertification of land in the Northwest of China. Its structure and the influence factor is uncertain and the interaction of turbulence and sand movement is unknown and worthy of discussion. Through this project will be improved of the two aspects of numerical simulation and field measurement in order to realize above research contents. Numerical simulation: one - and two-dimensional methods of wind-sand flow is not suitable for the study of streamers problems and it relates to the large amount of calculation, the lack of 3D splash function of the particle-bed collision, so the results are less and less pervasive. This project propose new approach: independent deal with the sand particles of bed and of air to solve the large amount of calculation and the lack of three-dimensional splash function problem. Field measurements: increased arranging the transport intensity equipment to measure the three-dimensional structure of streamers along wind and using 3-D Sonic Anemometer measurement is higher and more accurate wind field to explore the interaction of near-surface atmospheric coherent structure and streamers.

本项目针对沙漠化比较严重的中国西北地区的三维风沙流---streamers，其结构和影响因素还不确定，而且湍流和沙粒运动的相互作用是未知并值得探讨的问题。本项目通过对streamers数值模拟和野外测量两个方面进行改进以求实现以上研究内容。数值模拟方面：目前风沙流的一维和二维研究方法不适合探讨三维风沙流中的问题，而三维风沙流涉及计算量大，缺乏粒床碰撞的三维激溅函数等难点，目前结果少且不普适。本项目提出新的计算方案：独立考虑粒床碰撞和沙粒空中运动以解决计算量大和缺乏三维激溅函数问题。野外测量方面：增加布置沿风向的输沙强度设备以测其三维结构；以及用三维超声风速仪测量较高处风速以探究大气近地面相干结构与streamers的关系。

作为气固两相流的典型代表---风沙流，湍流对其细观和宏观影响都是不可忽略的，反之，风沙流中大量沙粒对贴地层湍流性质的影响也值得深入分析；另外，饱和长度与风洞试验和沙丘的最小尺度以及波长等之间有着密切关系。而目前关于这几个方面的研究是不足的。因此，依此为目的，流场部分利用大涡模拟(LES)得到瞬时风场，结合沙粒颗粒轨道模型的风沙流计算模型，在对净风场实现准确模拟的前提下，分别对定常来流和非定常来流下的风沙流特征进行了分析，然后关于沙粒对风场的平均和瞬时特征的影响作了深入的探讨。主要研究内容如下：.1，首先是对净风场在定常和非定常来流情况下的数值模拟，得到与观测一致的结果，以及定常来流下的二维新月形沙丘形态风场的模拟，得到雷诺应力和剪应力在不同大小来流风速下沿坡面的分布，并对坡顶脱落涡的特征进行了定量分析。.2，通过对含沙流场和沙粒运动方程的求解，结合已有的沙粒与地面碰撞的击溅研究结果，考察了程序对网格和计算区域的敏感性后，进而对风沙流的一维性质与以往的研究结果做了对比，证明了程序的正确性和可靠性，进而分析了风沙流在定常来流下的发展过程以及风沙流的一些时空不均匀性质，风沙流饱和时间和饱和长度随来流风速的变化规律等。.3，根据实测的2m高的野外风速序列生成入口边界条件，对野外风场下的风沙流进行数值模拟，从细观（沙粒的平均速度和响应时间）和宏观（输沙率和风沙流高度）的角度分析了湍流对风沙流的影响，以及在野外风沙流的二维特征。最后，分析了风沙流中沙粒的群体性运动对风场平均性质（风速廓线）和湍流特征（湍流度和湍动能）的影响。