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《流场中集沙仪集沙效率的数值模拟》由会员上传分享，免费在线阅读，更多相关内容在行业资料-天天文库。
1、第31卷第3期中国沙漠Vol.31No.32011年5月JOURNALOFDESERTRESEARCHMay2011文章编号:1000694X(2011)0363207流场中集沙仪集沙效率的数值模拟*安磊,黄宁(兰州大学西部灾害与环境力学教育部重点实验室,甘肃兰州730000)摘要:以管状集沙仪为例,数值模拟了它在风沙流结构中的流动特征以及集沙效率。为了使模拟更加符合真实情况,对计算区域的网格进行加密,计算了集沙仪周围的风场,并分析了网格划分对计算结果的影响。通过分析计算结果,讨论了不同薄膜渗透率对集沙仪周
2、围风场流动特征的影响,以及不同渗透率下不同粒径沙粒的轨迹以及集沙效率。在模拟集沙效率时发现集沙仪薄膜的渗透率是影响集沙效率的一个重要参数,通过分析结果,发现选择集沙仪薄膜的时候应选择渗透率,这样随着沙粒粒径的变化,集沙效率变化趋于稳定。有两个影响集沙效率的重要因素:粒径和集沙仪进口处的流线。当颗粒粒径相对较大的时候,惯性起主要作用,对于粒径大于200m的沙粒来说,集沙效率几乎都在90%;当颗粒粒径相对较小的时候,流线起主要作用。关键词:集沙仪;集沙效率;数值模拟中图分类号:X169文献标识码:A风沙活动是重要的地貌过程。风沙活动以及沙选择性是指集沙仪能够等效率地采集到不
3、同大小的尘活动(扬沙、沙尘暴)、土壤风蚀等主要自然灾害对土壤颗粒。以上3条原则中,等动力性与高效率性中国北方社会生活和经济发展造成了极大的威胁。是相关联的。在土壤风蚀研究中,当集沙仪应用于近几十年来,沙漠化问题引起了国际社会的广泛关风蚀采样时,由于集沙仪自身对风的阻挡,造成集沙注,特别是近年来越演越烈的沙尘暴天气,得到中国仪的进沙口风速常常低于风场的自然风速。研究表[1-3]学者的高度重视。近20a来,兰州大学风沙环境明,农田土壤的风蚀量随风速呈正相关指数函数变力学小组从力学机理出发,对风沙进行了全面并颇为化,集沙仪进沙口风速的降低必然会降低采样效率。新颖的研究,对风沙运动的
4、定量模拟以及沙丘移动模因此,集沙仪设计应首先满足等动力性原则,然后通[4-13]拟等方面取得了一系列具有代表性的研究成果。过试验对高效率性和非选择性进行评价,找出不足之输沙率是评价土壤风蚀程度的重要物理量,同处加以改进,以便最终获得性能完善的集沙仪。本质时也是风作用下沙尘和风沙流结构研究中一个重要上看,3个条件都与集沙效率密切相关。参数。对于风沙活动而言,跃移占主导形式,输沙率近几十年来,关于集沙仪的研究,因实验条件的[14-15]主要计算地表0~20cm的高度输沙率;对于复杂多变性使得对同一种集沙仪,不同的学者研究风尘活动而言,悬移占主导形式,输沙率应计算某悬出的结果也千差
5、万别,原因就是实验条件与手段无移高度的输沙率。法满足相似性。集沙仪是一种用于研究风沙流结构及土壤风蚀随着计算机技术的发展和计算方法的完善,采的重要仪器。近20a来,许多学者对集沙仪的设计用先进的多相流计算流体动力学(CFD)方法来模拟[16-30]与研究从未停止过。集沙效率是衡量集沙仪实验越来越方便和普及,而作为功能最为全面、适用[31]优劣的最重要的特征,其与设计、风速、沙粒粒径分性最广、国内使用最广泛的CFD软件之一,Flu[26,30]布和采集时间有关,当集沙仪满足等动力性、ent广泛应用于航空航天、汽车、船舶、气象等领域,[32-33]高效率性和非选择性3条原则时,
6、可以被认为是精同时在风沙环境问题中有一定的应用。Arajo[32]确的。等动力性是指集沙仪进沙口的风速等于没有等在2009年利用Fluent模拟了管状集沙仪的集安装集沙仪时的自然风速。高效率性是指集沙仪能沙效率。但他们的计算模型有很多简化,与实际情况够尽可能多地采集到来自进沙口方向的风蚀量。非有较大的差别。笔者在改进其计算模型的基础上,模收稿日期:20101212;改回日期:20110127基金项目:国家重点基础研究发展规划项目(2009CB421304);国家自然科学基金中法合作研究项目(10811130470);国家自然科学基金项目(10772073);
7、中央高校基本科研业务费专项资金项目共同资助作者简介:安磊(1982),男,山西太原人,硕士研究生,研究方向为工程问题中的力学建模与仿真。Email:anl08@lzu.cn*通讯作者:黄宁(Email:huangn@lzu.edu.cn)第3期安磊等:流场中集沙仪集沙效率的数值模拟633拟了管状集沙仪的集沙效率,通过对流场和集沙效率们所研究的集沙仪如图1所示,是由空心圆筒构成,的分析发现,其模拟的结果是可信的。研究将为创建其直径D=005,高h=1m,为了简化忽略筒的壁合理研究各种集
