风沙二相流的微观模拟及机理研究

风沙流是一种非线性动力学过程，具体表现为沙粒随着风在空中发生的各种运动，并随之带来的如沙尘暴、沙丘等环境恶化问题。该项目应用光滑粒子流体动力学（SPH）方法模拟风沙运动。SPH方法是一种无网格粒子法，其特点是将计算目标离散成彼此间不需要网格连接的独立粒子，这与自然界中沙粒的存在状态非常吻合，且这些计算粒子是带有速度、质量等物理量，通过计算粒子的运动可以准确地描述沙粒的轨迹状态。用SPH方法模拟风沙流时，流体粒子和沙粒间的双向耦合处理十分重要，本课题重在研究单个沙粒所受的阻力如何反馈分配到周围多个流体粒子上；计算沙粒运动时，周围的流体粒子是作为边界条件处理，还是作为同性质的粒子处理并参与插值运算；首个沙粒的起跳是怎么产生的等关键问题，同时进行风沙运动的风洞实验研究，通过对各种边界条件下的数值模拟结果与试验结果的对比分析，阐明风沙运动规律及其非线性动力学行为，从而为风沙流的微观机理提供理论依据

本项目运用光滑粒子流体动力学（Smoothed Particle Hydrodynamic:SPH）方法对风沙流中的若干物理现象进行了数值模拟。风沙流是非线性动力学过程，具体表现为沙粒随着风在空中发生的各种运动，并随之带来的如沙尘暴、沙丘等环境恶化问题。SPH法是无网格粒子法，它将整个计算区域离散成两种分别代表气相和沙粒相的粒子。在气相粒子的作用下，沙粒从起跳到在气相粒子的作用下随之运动的过程都可以被动态地呈现出来。项目建立了风沙流SPH数值模拟软件，软件中详细考虑了SPH公式中的核心因素，如核函数、光滑长度的选择以及它们对数值模拟结果的影响，该软件可以实现不同风速下风沙流中沙粒运动的微观物理现象。沙粒的起动风速一直是风沙两相流研究的重点内容，而沙粒起动主要分为流体起动和冲击起动。近年来，造成沙粒从沙床表面起跳到气流中的根本原因还尚未定论。本项目针对流体起动和冲击起动两种起动现象进行了数值模拟，发现在沙粒运动的起始阶段，因气流的升力和曳力激起了沙床表面粒径较小的沙粒起动，这些沙粒在下降的过程中与沙床表面的其它沙粒碰撞会引起其它沙粒的起跳，正是这种冲击造成了沙床表面更多粒子的起跳和风沙流中携带沙粒的比例提高。风沙运动中碰撞对沙粒起跳起着非常重要的作用，并且这种作用贯穿于风沙流活动的全部过程中，沙粒的碰撞效应可以激起比其本身重而大的一个或若干个沙粒；在沙粒随着风运动的过程中，空中移动的沙粒之间会发生碰撞。沙粒间发生碰撞是风沙两相流中非常普遍存在并很重要的一个力学行为，准确模拟沙粒间的碰撞是完善风沙两相流理论体系的关键。在已有的数值计算中，考虑沙粒间的碰撞时都会建立碰撞模型，如软球、硬球模型等，然后根据颗粒的碰撞概率或根据颗粒的位置和速度给定在某一网格中颗粒间的碰撞情况。本项目的数值计算不需建立碰撞模型，也不需计算碰撞概率，而模拟结果使得粒-床碰撞的微观过程更加详细和准确，为风沙流的宏观模拟提供了更准确的粒-床碰撞的模拟方法。通过分析模拟结果发现，SPH方法的计算结果与前人所得实验研究结果是一致的。SPH方法中的计算粒子与自然的沙粒形态非常相符，能够简单而清晰地动态展示风沙流的运动过程。光滑长度处理方法非常有利于解决风沙流的碰撞问题，模拟结果准确且方法简单，为风沙流的微观研究提供了更好的模拟方法，有力地证明了该方法在风沙物理学方面的应用前景。