基于随机力模型的风沙流数值模拟

• 作 者: 张海霞
• 出 处: 兰州大学
• 发表日期: 2018年01期
• 关键词: 风沙运动 随机力 朗之万方程 数值模拟 风沙流结构 浓度扩散

在近地表层风沙流场中,沙粒运动主要有三种形式:蠕移、跃移、悬移。风场湍流特性会对沙粒运动产生显著的影响,使其运动轨迹随着时间、空间发生变化。风沙运动一方面会形成沙波纹、沙丘等风积地貌形态,另一方面又会形成浮尘、沙尘暴等自然灾害。就其本质而言,风沙流运动是一种典型的气固两相流,因此,研究其运动特性具有重要的理论意义和潜在的应用价值。本论文以布朗随机力模型为原型,提出了综合随机力模型来模拟湍流风场中的湍流、碰撞等随机因素对颗粒的作用,旨在简化计算模型,便于对大量颗粒运动进行统计分析。本文主要研究工作如下:(1)首先,对已有的湍流风场中风沙流问题的求解所提出的模型(朗之万方程、随机力模型)进行了分析和总结,给出了以经典布朗力计算公式为原型的综合随机力模型,从宏观上对风沙流问题进行模拟;(2)其次,通过对湍流风场中运动沙粒的受力分析,建立了颗粒随机力模型来描述沙粒在风场中受到的湍流、碰撞等随机因素。通过与有关数值结果和风洞实验数据进行对比,验证了随机力模型的适用性。在计算过程中比对几种主要的生成随机数的方法,选择能生成较高质量的服从高斯白噪声的随机数来进行风沙流问题的模拟求解;(3)最后,运用上述综合随机力模型,计算沙粒在湍流风场中的轨迹、速度、加速度等基本物理量,统计分析了风沙流中输沙量以及沙粒体积浓度。计算中,充分考虑了沙粒与风场的耦合作用,所得到稳定风场,与已有的数值模拟结果及实验数据吻合较好。数值结果显示以布朗力经典公式为原型的综合随机力模型在风沙问题的求解方面有切实的实用价值。