阵风场中非定常大气湍流对沙粒跃移运动的影响

野外阵风具有大尺度结构的非定常特征和小尺度结构的高频脉动特性，是造成野外观测、风洞实验及数值模拟的结果彼此偏差极大的主要因素。本项目立足于复现野外阵风环境，在风沙跃移微观研究与宏观研究相结合的基础上，分析阵风状态下风沙流场中大气湍流的非定常特性及其对沙粒跃移运动的影响。研究采用风洞实验辅以数值模拟的方法，应用现代光学测量手段，发展全新的阵风状态下风沙流两相速度场及沙粒相浓度场的光学测量方法，开发高浓度沙粒相粒子图像识别及速度处理算法，分析阵风场中非定常大气湍流脉动对不同粒径沙粒跃移的影响形式和效果，建立脉动尺度范围内风沙流两相耦合作用模型，测定阵风状态下风沙流中沙粒相浓度与风速脉动的响应关系，探讨非定常大气湍流对输沙率的影响，为进一步深入研究风沙跃移运动，发展更具普适性的理论体系奠定基础，增强风沙动力学风洞实验与数值模拟研究在防风治沙工程实践中的实用性。

研究基本按计划进行。.阵风的风洞模拟最初在西安交通大学流体机械及工程国家专业实验室室的双实验段大气边界层风洞中进行。在进行风机惯性及周期性变速测试时发现，大功率动力风机叶片惯性对风速变化影响明显，不能满足模拟阵风的要求。鉴于此，项目组设计建设了一座双风机驱动的大气边界层风洞，并设计加工了风洞测试系统控制柜。基于此初步模拟得到了间歇性阵风与较紊乱变化的风场，相关数据正在整理发表中。.在大气边界层风洞内采用高速相机记录了时均风速线性上升的来流条件下运动沙粒的图像，通过图像处理得到风沙流的瞬时含沙量。获取图像的同时，使用热线测量风速变化。实验结果表明，风沙流中的瞬时含沙量总是非稳定的，其变化频率至少在100Hz以上。风沙之间的相互作用存在一定的滞后效应，大气湍流脉动对含沙量的作用与沙粒粒径相关，粒径越小，风速脉动作用越大。当粒径≤160μm时，风速的微小变化即可引起含沙量的明显波动，二者高度相关。当粒径较大的时候，如300-500μm，只有较长时间较大幅度的风速脉动才能使含沙量有较大幅度的变化，研究时均风速变化对含沙量的影响更具有意义。.在非定常风沙输移过程中，结合非接触式光学测量这一前提，沙粒运动表现出以下特点：(1)由于局部湍流及颗粒碰撞的作用，任何范围的颗粒群表现为非协同运动，即无法用连续假设或网格动量守恒方法对颗粒运动进行预估判断；(2)任一瞬时（两帧连续图像），由于风沙流的边界层流动属性，颗粒浓度与速度二者同时存在较大空间梯度；(3)任一段采集时间内（若干帧连续图像），由于风场的非定常性，个体颗粒的帧间运动存在较大时间梯度。针对上述特点，粒子图像算法开发工作如下1)基于连续介质假设，对基于松弛迭代的粒子追踪算法（RM-PTV）进行改进，针对处理高空运动的局部协同运动性较强的跃移颗粒；2)发展了不依赖于连续性假设的新算法，使其适用于存在较大时空梯度的粒子时序图像。.天然沙粒的形状都是不规则且变化不定的，根据两类形状系数对阻力系数加以修正，分析了形状系数修正后的模拟结果与采用球形假设的模拟结果之间的差异，并与真实沙粒跃移轨迹的实验结果进行了对比。结果显示沙粒形状因素对沙粒跃移的影响是不能忽略的。当粒径>160μm时，两种修正方法得到的计算结果与实验轨迹基本一致，而当粒径≤160μm，采用基于颗粒阻力的形状系数，将沙粒转化为球形的修正方法得到结果更接近实际。

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