發(fā)布時(shí)間：2020-06-20 05:42

【摘要】：本文基于大渦模擬和點(diǎn)力模型研究湍流邊界層中顆粒與湍流的相互作用,首先,本文提出了一種近壁平均速度梯度改進(jìn)渦粘計(jì)算的簡(jiǎn)單的修正方法,并基于此方法模擬了Re_??3?1 0~7的高雷諾數(shù)大氣邊界層壁湍流,其中亞格子模型采用尺度依賴動(dòng)力渦粘模式。模擬結(jié)果表明:所提出的修正方法能夠有效改善湍流平均速度廓線的預(yù)測(cè)結(jié)果,并合理捕捉湍流相干結(jié)構(gòu)的主要特征。同時(shí)采用湍流大渦模擬與顆粒點(diǎn)力模型數(shù)值模擬了可侵蝕顆粒床面上高雷諾數(shù)水平槽道湍流顆粒兩相流動(dòng),以分析顆粒對(duì)湍流的調(diào)制作用機(jī)理。結(jié)果表明:可侵蝕顆粒床面上的顆粒分布在流向高、低速流體中間。平均三維顆粒濃度結(jié)構(gòu)近壁大遠(yuǎn)壁小,呈hill-like狀。除非常靠近近壁(y~((10))(27)3)外顆粒平均速度均小于湍流平均速度;整個(gè)計(jì)算高度內(nèi),顆粒流中的流體流向平均速度相比單相流減小。近壁顆粒導(dǎo)致流向速度脈動(dòng)、雷諾應(yīng)力相比單相流衰減,遠(yuǎn)離壁面增強(qiáng),衰減與增強(qiáng)的轉(zhuǎn)折點(diǎn)在約y~((10))?40,隨雷諾數(shù)增大而降低。垂向和展向速度脈動(dòng)在整個(gè)計(jì)算高度內(nèi)均增強(qiáng)。顆粒流中,由速度相關(guān)確定的湍流結(jié)構(gòu)的流向與展向尺度在近壁內(nèi)區(qū)增大,外區(qū)湍流結(jié)構(gòu)尺度減小。雷諾應(yīng)力的象限分析顯示,第二象限(Q2)和第四象限(Q4)的應(yīng)力幅值和發(fā)生頻率在近壁減弱遠(yuǎn)壁增強(qiáng),第一象限(Q1)和第三象限(Q3)象限應(yīng)力幅值近壁幾乎不變,但頻率增大,遠(yuǎn)壁幅值增強(qiáng)頻率不變。條件分析揭示,躍移層顆粒對(duì)外層流體表現(xiàn)為活躍粗糙元,是導(dǎo)致內(nèi)層流向速度脈動(dòng)和雷諾應(yīng)力減弱而外層流體速度脈動(dòng)與雷諾應(yīng)力增強(qiáng)的主要原因。此外,顆粒上升和下降過程中的條件平均流場(chǎng)表明,顆粒由于重力作用導(dǎo)致的下降過程是使湍流結(jié)構(gòu)受影響的主要原因。另外,本文采用將顆粒拉格朗日軌跡模擬與湍流含壁模型大渦模擬(WMLES)相結(jié)合的方法,成功再現(xiàn)了區(qū)域?yàn)?00m×12m×75m的近地表風(fēng)沙流輸沙的沙條帶現(xiàn)象。以濃度相關(guān)系數(shù)提取條帶的特征尺度發(fā)現(xiàn)隨風(fēng)速增大減小、隨粒徑增大而增大。在典型的0.2mm粒徑下,濃度相關(guān)系數(shù)0.05為0.2mm時(shí),沙條帶的流向特征長(zhǎng)度尺度為24~30m,寬度可達(dá)3m,在粒徑為0.5mm時(shí),流向特征長(zhǎng)度尺度為30~90m,展向?qū)挾瓤蛇_(dá)6~12m,為與已有野外觀測(cè)結(jié)果吻合。本文分析表明:平坦、均勻可侵蝕地表沙條帶現(xiàn)象與風(fēng)場(chǎng)存在湍流超大/大尺度結(jié)構(gòu)有關(guān),高濃度輸沙出現(xiàn)在條件平均的超大/大尺度結(jié)構(gòu)掃掠地表時(shí)的尾跡區(qū),可以看作是外區(qū)湍流結(jié)構(gòu)在近壁躍移層的足跡;同時(shí),沙條帶現(xiàn)象受風(fēng)沙流中沙粒和地表擊濺過程的影響,在不可侵蝕的表面上,沙條帶雖然可以向下游延伸很長(zhǎng)的距離,但會(huì)變窄。
【學(xué)位授予單位】：蘭州大學(xué)
【學(xué)位級(jí)別】：博士
【學(xué)位授予年份】：2019
【分類號(hào)】：O359
【圖文】：

(c) (d)圖 1-2 自然界中的風(fēng)沙運(yùn)動(dòng)，（a）近地表風(fēng)沙流運(yùn)動(dòng)，圖片來自于 Baas,08(Geomorphology)，（b）沙塵暴，圖片為 2012.12.19 德克薩斯州的沙塵暴，（c） 風(fēng)雪圖片來自于百度百科，（d）水沙運(yùn)動(dòng)，圖片來自于百度百科。以風(fēng)沙兩相流為例，在沙塵暴中，由于氣體的作用，不同大小的顆粒在運(yùn)程中采用不同的運(yùn)動(dòng)方式運(yùn)動(dòng)。Bagnold (1941)將顆粒運(yùn)動(dòng)分為三類;懸移、、蠕移，如圖所示。

(a) (b)(c) (d)自然界中的風(fēng)沙運(yùn)動(dòng)，（a）近地表風(fēng)沙流運(yùn)動(dòng)，圖片來自ology)，（b）沙塵暴，圖片為 2012.12.19 德克薩斯州的沙塵暴片來自于百度百科，（d）水沙運(yùn)動(dòng)，圖片來自于百度百科相流為例，在沙塵暴中，由于氣體的作用，不同大小同的運(yùn)動(dòng)方式運(yùn)動(dòng)。Bagnold (1941)將顆粒運(yùn)動(dòng)分為圖所示。

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本文編號(hào)：2721964