风沙运动的三维直接数值模拟

采用直接模拟方法研究风沙两相流，可以同时模拟颗粒的跃移运动和蠕移运动，以及它们的耦合效应。采用软球模型可以克服模拟多体碰撞的困难。直接模拟的主要困难是计算量非常大，采用二维碰撞模型（颗粒被限定在一个平面内运动）可以有效减少计算量，但是，模拟结果在某些方面有较明显失真。.本项目将采用三维碰撞模型的、直接跟踪每个颗粒运动的方法模拟风沙运动。为尽量减少计算量，需要进行一些探索性研究：减小计算域及其限制，研究边界条件，等等。.本项目将给出颗粒的各种统计量在流场中的垂向分布，包括固相浓度和输沙通量沿垂向的分布，固相的平均速度及其沿垂向的梯度，固相雷诺应力，固相碰撞应力，碰撞频率，等等，研究这些量在蠕移层和跃移层的分布特点，寻找一个分界蠕移层与跃移层的更科学方法。

沙粒运动采用离散颗粒模型、气体流动采用欧拉模型研究了风沙两相流，在这过程中同时模拟了颗粒的跃移运动和蠕移运动，以及它们之间的耦合效应。颗粒碰撞采用三维的软球模型，软球模型可以克服模拟多体碰撞的困难，三维碰撞模型可以克服二维碰撞模型的诸多不足，其中最主要是颗粒浓度沿高度方向减小得比较慢，以及由此引起的输沙通量沿高度方向减小得也比较慢。采用以上模型模拟风沙两相流动的主要困难是计算量非常大。.本项目研究的风沙流场，在宏观上是定常的、展向(y方向)无限伸展的、流向(x方向)流动是充分发展的，也就是说，不论是气相还是颗粒相，它们的宏观参数都只是垂向(z方向)的函数（一维定常流动），但是，由于我们采用的是离散颗粒模型，模拟过程中涉及到每个颗粒的运动，这些颗粒的运动却是非定常的、三维的。从宏观考虑，模拟计算中展向和流向的计算域可以很小，采用周期开拓的方式可以拓展到无限远处，但在实际计算中计算域不能太小。为了减小计算量，探索合理的计算域大小是这类数值模拟必须解决的首要问题。对于我们模拟的大多数算例来说（粒径=0.16mm—0.25mm，主要是0.2mm，上边界的剪切应力=2.5Pa—7.5Pa），采用长=150粒径，宽=10倍粒径，高=0.3m这么大的计算域基本上是适当的。.对模拟计算给出的大量数据进行统计分析，得到了气相速度、气相剪切应力、颗粒相平均速度、颗粒相剪切应力、颗粒相数密度（或者说浓度）、输沙通量、颗粒相剪切应力和总剪切应力（两相剪切应力之和）的垂向分布，以及单宽输沙率。结果表明，从上到下气相剪切应力逐渐减小、颗粒相剪切应力逐渐增加，而总剪切应力随高度基本上不变，这说明动量守恒原理在我们的模拟过程中很好地得到遵守，从一个方面反映了计算是可信的（由于计算中涉及的很多物性参数未必可靠，所以，计算结果在定量上未必可信）。.受到EDEM软件的限制（也与采用软球碰撞模型有关），我们没能统计得到颗粒碰撞频率，也没能得到颗粒相的碰撞应力。