基于风沙耦合SPH模型的风沙流结构动力学特性研究

The structure of wind-blown sand flux is very important in wind-blown sand physics research. Its accurate prediction can effectively guide the engineering practice for desertification control. However, the internal exchange mechanism of the structure of wind-blown sand flux and its inner strength not only need to research sands movement in sand flow, but also consider how to combine the microscopic sand movement with macroscopic sand flow. This project applies the model of smoothed particles hydrodynamics to simulate the movement of wind-blown flow and analyzes the interaction between sands and wind. The characteristic of smoothed particles hydrodynamics is to discretize the whole computational domain into single sand particle with speed and mass. These discrete sand particles are consistent with natural sand particles in shape and thus the dynamic characteristics of sands can be accurately obtained by calculating the movement of sands. The wind-blown sand flow seem as groupment behavior of sand particles, actually, before the wind-blown sand flow to reach the equilibrium state, the dynamic characteristics of structure will be affected by gas turbulent flow, the number of sand particles and size of the sand grains. This project is aimed at revealing the coupling mechanism of sands and wind field, the combined mechanism of the microscopic and macroscopic characteristics of sands and wind-blown sand flow can be illustrated. Meanwhile, the influence of the structure of wind-blown sand flux and its inner strength on blocking sand can also be explained. This project has great significance in improving wind-blown sand physics system and provides the theoretical and experimental basis for sand engineering.

风沙流结构是风沙物理学中重要的研究内容，对其准确预测可以有效地指导治沙防沙工程。然而，掌握风沙流结构和内部强度交换的内在机理不仅要研究微观沙粒运动，还要考虑将沙粒运动的微观机理与宏观的风沙流特性相结合。但风沙物理学却未能在发展过程中将两者有机地结合起来。本课题运用风沙耦合的光滑粒子流体动力学模型对风沙流动进行数值计算，分析沙粒和风场的相互作用，将计算域离散成带有速度、质量等物理量的独立粒子，这与自然界中的沙粒形态非常吻合，通过计算粒子的运动可以准确地得到沙粒的动力学特性。风沙流看似是沙粒的群体性行为，其实不然，在风沙流达到平衡态之前，其结构的动力学特性会受到气体湍流、沙粒数的多少以及沙粒粒径的影响。本课题旨在揭示风沙流中沙粒与风场的耦合机理，阐明沙粒微观特性和风沙流宏观特性的结合原理及风沙流结构和强度对阻沙固沙的影响。对完善风沙物理学体系具有重要的理论意义，为风沙工程学提供理论和实验依据。

我国西部地区的沙漠化问题很严重，风沙流活动对沙漠公路、沙漠石油生产等造成威胁，沙漠化灾害给当地经济发展带来了极大的阻挠。因此，防止沙漠化的继续扩大是目前新疆乃至我国面临的最为重要的环境和社会经济问题之一，对提高人类福祉水平和实现社会经济可持续发展具有重要意义。.本项目围绕“探究风沙流结构的动力学特征和机理”开展工作。主要采用本课题组自研发的光滑粒子动力学方法（SPH）数值仿真软件来模拟风沙运动。SPH方法在模拟风沙运动中有诸多优势，比如不需要划分网格、避免网格畸变问题、可以追踪单颗粒子的运动特性等，而且，因离散粒子被赋予的物理及几何性质与自然界中的沙粒特征非常吻合，计算所得数值结果能较准确地再现风沙流运动的整个微观过程。但是算法本身在计算大规模颗粒运动时的不足也比较明显，计算时间长和模拟效率低是该方法的瓶颈。目前，本课题组开发的风沙流SPH软件平台已经可以对多种工况的风沙流进行数值模拟，并在基于该软件的基础上引入GPU架构，对SPH串行算法进行改进，用CUDA C语言调用GPU设备实现并行计算，用以快速地模拟大规模的风沙运动。.首先，本项目利用SPH数值仿真软件研究了基于风场湍流性质的风沙双向耦合SPH数值模型和关键算法，提出通过设置SPH光滑长度的方法实现气流场和沙粒相的双向耦合，能准确模拟出沙粒在风场中的运动以及风场受到沙粒的影响后发生的风速廓线等的变化；研究了风沙运动中微观的沙粒运动与宏观的风沙流结构，利用统计分析方法将床面沙粒的起跳和运动规律与风沙流结构的宏观特性做定量分析，发现了两者之间的定量关系；另外，本项目结合西北戈壁地区真实风沙环境，采用Fluent商用软件，数值研究了采用不同模型时的风沙流结构特性，以与本课题组开发的风沙流SPH数值模拟软件的计算结果作对比分析。最后，利用项目经费支持搭建的小型风洞试验平台对数值模拟的结果进行实验验证，但由于小型风洞平台还处于调试阶段，只能进行平坦沙床的起跳实验，实验数据的处理上采用的手段较陈旧，数据处理效率低，目前正在扩充实验工况和实验数据处理方法。.通过商业化软件的计算结果、小型风洞试验的结果与课题组自开发风沙流SPH软件平台计算结果的对比可见，SPH方法在风沙流结构的数值模拟研究中有其独到的优势。项目具有较好的研究价值和意义，课题组成员将在该项目的研究道路上继续前行。