沙丘迎风坡面沙粒跃移的数值模拟

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沙粒在风中的运动形式主要有三种形式,悬移、跃移和蠕移。跃移是沙粒运动的主要形式,并且跃移是沙丘地貌的主要成因。故跃移一直是风沙研究的热点。然而绝大多数的研究集中在平坦床面上的沙粒跃移运动,很少有涉及到倾斜床面上的沙粒跃移运动。而在实际自然地貌中,沙粒的聚集形式多为沙丘,故倾斜床面上的沙粒跃移是一种很普遍的现象,具有重大的理论和实际研究意义。本文研究了沙丘迎风坡面上的沙粒跃移情况,主要内容如下:1.首先对沙丘迎风坡上的沙粒跃移运动的数学模型进行具体描述,该部分包括两部分的内容。一,利用风工程中的经验公式对沙丘迎风坡上方的风场进行描述,得到迎风坡上各点处的风速,然后可以利用该风速进行沙粒跃移运动的计算。二,根据前人公式,进行坐标变换得到迎风坡上的沙粒跃移运动的控制方程。2.利用沙丘迎风坡上的沙粒跃移数学模型研究直线迎风坡上的跃移,选取已有文献中的风洞实验算例和实地观测沙丘模型进行模拟计算,并将计算所得的结果和文献中的数值模拟和实验观测进行比较,发现模拟结果吻合较好。3.利用沙丘迎风坡上的沙粒跃移数学模型研究曲面迎风坡上的跃移,选取不同形状的沙丘进行研究,其迎风坡廓线选取自然界中常见的廓线形式。首先根据风沙跃移运动与风场的耦合求得床面起沙率与摩阻风速之间的关系,然后利用该关系计算迎风坡面上的沙粒跃移。并将计算结果和Lettau&Lettau提出的输沙率公式进行了比较,该公式常用来计算倾斜床面的输沙通量。比较结果吻合较好。4.通过对沙丘迎风坡面上的跃移模拟及结果比较可得,在已知沙丘尺寸、来流条件以及壁面条件的情况下,本文提出的数学模型适合于对迎风坡面的沙粒跃移基本量进行模拟计算,其中包括输沙率和输沙浓度沿高度的分布。但是床面起沙率的获得和沙丘顶部的分离对模拟的准确性有着重要的影响,需要进一步的研究。
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