风沙颗粒跃移轨迹的数值模拟研究

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掌握单颗沙粒的运动规律对风沙运动宏观领域的研究具有积极的指导意义。本文首先从沙粒的运动形式入手,对沙粒的起动机制以及沙粒在跃移过程中的受力进行了分析。借助计算流体力学的Fluent软件,选择描述气固两相流的离散相拉格朗日模型作为数值计算模型,选择标准的k-ε模型作为湍流模型对沙粒的跃移运动轨迹进行数值模拟。  在全面考虑沙粒受力的基础上,模拟相同摩阻风速,不同沙粒粒径条件下考虑气体湍流脉动与不考虑气体湍流脉动的沙粒跃移运动轨迹,以及相同沙粒粒径,不同摩阻风速下的沙粒跃移运动轨迹。通过分析比较得出以下结论:当沙粒粒径尺寸为500μm~200μm范围内时,沙粒跃移运动轨迹受气体湍流脉动的影响不大;在相同摩阻风速下,随沙粒尺寸的减小,气体湍流脉动的作用愈发明显;沙粒的跃移距离与高度之比随粒径增大而减小。当沙粒的粒径≤160μm时,其运动曲线在下降段有上凸的趋势,曲线也不再平滑,但仍然是跃移状态,这种情况下就不能不考虑湍流脉动作用的影响。  借助室内风洞对沙粒跃移运动轨迹进行了高速摄影实验研究,得到了与数值模拟近似相同的抛物线轨迹,从而验证了数值模拟的可靠性。
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