基于欧拉模型的风沙流运动模拟

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风沙流是一种典型的气固两相流动,如何正确的描述沙粒之间以及沙粒与空气之间的相互作用,已经成为研究风沙流运动的关键问题之一。随着计算机技术和数值计算方法的快速发展,计算流体动力学方法已被广泛应用于风沙两相流的研究上。当前大多数对风沙流结构的研究,采用欧拉-拉格朗日的方法进行模拟计算,由于受到计算机运行速度的限制,用这种方法处理的颗粒数目还很有限,所做的数值模拟与实际工程应用还有一定的距离。因此,为研究更加接近实际情况的风沙流运动,并为实验研究提供一些分析和数值资料,本学位论文应用欧拉双流体模型,借助FLUENT软件,对风沙运动的发展过程以及不同条件下影响风沙流结构的因素进行了数值模拟。研究内容包括:首先,基于欧拉模型建立了风沙两相流动的基本方程,且对空气相的湍流运动采用标准k-ε湍流模型。其次,在给定的计算区域和边界条件下,数值模拟了在不同摩阻风速、不同颗粒粒径下风沙流场随时间的变化情况,给出了风沙流达到稳定状态时所需的时间和给定空间位置上沙粒体积相分数的分布曲线。计算结果表明:不同风速和粒径直接影响风沙流结构的沙粒相体积分布,与相关的文献结果相一致,从而说明该模型可以用于风沙颗粒流体体系的动力学特性研究。最后,对不同沙源供给条件下各种床面的风沙积蚀平衡进行了数值模拟。给出了风速分布和沙粒体积分数随沙源供给条件和下垫面变化的线图,比较了流动边界条件对流场的影响。计算结果揭示了风沙运动中沙粒的体积浓度分布在风速变化和床面形态变化下的变化规律,为沙漠化的防治和理论研究提供了基础。
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