风沙流结构参数的PIV测量和数值分析

拟采用实验分析和数值模拟研究相结合的方法，研究风沙流结构参数的变化规律。利用PIV测量技术，获得风速、沙粒速度等基本参数数据，提出风沙流中沙粒体积浓度、输沙通量、沙粒剪应力、气相剪应力的计算方法，探索输沙通量、沙粒平均水平速度和沙粒体积浓度之间相协调的分布规律，为风沙流模拟提供参考数据。建立描述三维风沙流的两相流体动力学模型及其计算方法，采用三维离散颗粒碰撞模型，来克服二维碰撞模型中沙粒运动的失真；考虑气流和沙粒间双向耦合作用以及沙粒间的碰撞作用，直接模拟沙粒的三维碰撞过程，并追踪每一个沙粒的运动，实现风沙流三维运动的直接数值模拟。根据实验和计算结果，分析沙粒体积浓度、输沙通量、沙粒剪应力、气相剪应力等参数的变化信息，为揭示风沙流动力学过程提供科学依据。

通过风洞实验和数值模拟方法研究了风沙流结构参数的变化规律。实验方面，在风洞内进行了风沙流结构参数的PIV实验测量，根据获得的风速、沙粒速度等基本数据提出基于PIV测量的沙粒体积浓度、输沙通量、沙粒剪应力和气相剪应力的计算方法，并给出一种计算沙粒体积浓度的基于颗粒计数的改进方法，其考虑了沙粒平均粒径随高度的变化以及片光源厚度的光学确定方法；实验分析得到了风速、沙粒平均水平速度、沙粒体积浓度、输沙通量、沙粒剪应力和气相剪应力的垂向分布，沙粒体积浓度和输沙通量在较高高度处近似指数规律衰减，在较低高度处偏离指数规律而增加，沙粒剪应力随高度增加而减小，气相剪应力随高度增加而增大；研究了输沙通量、沙粒体积浓度和沙粒平均水平速度之间相协调的垂向分布函数，沙粒平均水平速度的垂向分布可表示为幂函数，输沙通量和沙粒体积浓度的垂向分布可表示为幂函数-指数函数的组合形式；还分析了上升和下降运动沙粒的体积浓度、水平输沙通量和垂直输沙通量的垂向分布特征，上升沙粒的体积浓度小于下降沙粒的体积浓度，下降沙粒对总水平输沙通量的贡献最大。数值模拟方面，建立了描述三维风沙流的离散颗粒模型，其考虑气流和沙粒间双向耦合作用以及沙粒间的三维碰撞过程，颗粒碰撞采用三维软球模型，来克服二维碰撞模型中沙粒运动的失真，计算中追踪每一个沙粒的三维运动，从而实现风沙流三维运动的模拟；模拟得到的沙粒体积浓度、输沙通量、沙粒剪应力、气相剪应力等参数的垂向变化规律与实验结果一致；如果计算区域的长度大于200倍粒径，计算区域的宽度大于6倍粒径，那么可以获得与计算区域无关的结果；比较了两种分别来自于颗粒相雷诺应力和颗粒粘性阻力的沙粒剪应力，在近地面附近来自于颗粒相雷诺应力的沙粒剪应力小于来自于颗粒粘性阻力的沙粒剪应力，在其他高度这两种沙粒剪应力基本相等；还分析了沙粒二维和三维运动模型的差别，三维运动模拟可以改善二维模拟的结果，应当优先使用沙粒三维运动模型。