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本文以不同覆盖度戈壁床面的风洞模拟实验为物理模型,利用流体力学计算软件FLUENT对风洞中流场的动态变化过程进行了数值模拟。克服了野外试验与风洞实验的局限性,通过研究不同砾石高度、粒径、覆盖度、密度等砾石床面几何参数,以及风速、摩阻速度等流体特征对砾石床面空气动力学粗糙度的影响,建立了砾石床面空气动力学粗糙度与相关参数的定量关系;得到了砾石床面的风速分布图,更加清楚的解释了砾石床面流场的变化情况。文章得到的初步结论总结为以下四点: (1)摩阻速度与风速共同影响床面空气动力学粗糙度,并满足指数关系式:z0=cedu/u*,系数c,d受床面几何参数影响显著,当盖度从5%增加到40%时,d的绝对值逐渐减小,同时,关系式的拟合效果随盖度的增加而减小。 (2)空气动力学粗糙度随砾石高度、粒径的增大而增大,但高度优于粒径对空气动力学粗糙度的影响作用更加显著;空气动力学粗糙度与砾石密度的关系可表示为:z0/h=a+bλ+cλ2,粗糙度随密度的变化是先增加后减小,粗糙度达到最大值时λmax的值为0.2;砾石密度与盖度之间的转化关系可表示为:λ=CSa/Sb,Sa、Sb分别表示砾石的迎风面积与底面积。在砾石区,依据λmax以及砾石的形状特点来选取最佳盖度以求达到最好的防治风蚀的效果。 (3)流场的速度分布受砾石排放角度的影响明显;另外,不同盖度、粒径、排放角度对砾石床面的流场分布及对砾石底部风速值的减小程度也存在不同的影响。 FLUENT在模拟风洞砾石床面动力学过程中的成功应用,解决了野外观测与风洞实验中存在的周期长、影响因素多等问题,更直观、简捷地呈现出定性或定量规律,为实际观测结果提供重要补充,但也存在一些问题:本文所用的砾石为理想化的四面体,不可能与风洞中的砾石甚至野外砾石相同,模拟结果难免存在偏差;文章没有考虑风沙流的情况,仅是单纯的考虑纯气流的问题,风沙二相流以后将会进行更进一步的研究。 以上研究结果为砾石床面的风沙防治提供理论指导,通过选取砾石几何参数的最优组合使砾石密度为0.2,更有利于减小砾石床面的风蚀。FLUENT数值模拟的方法将在以后砾石床面的动力学研究中发挥更加重要的作用。