非均匀推移质颗粒的扩散与分选试验研究

为研究非均匀的泥沙颗粒同均匀泥沙颗粒扩散特性的不同,开展一系列水槽试验。在不同水力条件下,通过高清摄像技术拍摄不同粒径推移质颗粒的运动轨迹。利用Dxo Viewpoint软件将拍摄得到的静态图片进行矫正处理,使用ImageJ软件提取每个时刻颗粒的位移数据。分析位移均值与方差随时间的变化,得到以下结论：不同的时间尺度上,颗粒将表现出不同的扩散特征;水力条件及粒径范围不同,表现出的颗粒扩散特征也将不同;在长时间尺度上,非均匀推移质颗粒的扩散特征会有逐渐趋向于弹道运动β=2的趋势,这是由于颗粒本身的非均匀导致的分选现象;颗粒的非均匀性越强,颗粒的分选现象出现越快;天然河流的尺度远大于水槽,这种分选现象将会更加明显。     

推移质运动的随机理论与应用

陡坡急流条件下的推移质运动常伴有较大幅度的随机变化,这种随机涨落现象在各个时间尺度下普遍存在.由于这种涨落现象的存在,随机理论模型往往更适用于描述这一类问题.为进一步研究推移质运动的随机属性,作者利用包含群体输移机制的Markov随机模型,通过理论和实验方法研究输沙停时的概率密度分布函数(PDF),这些研究揭示出推移质运动中的尺度分离现象.在前人工作的基础上,给出输沙停时PDF理论解的另外一种推导方式推导.与较早的研究相比,该推导更为简洁、直接.该理论解已通过数值和室内实验数据得到了验证.     

长江土脑子河段曲线二维动床模型研究

采用控制体积法与SIMPLE算法对一般曲线坐标下控制方程进行离散和求解,建立了长江土脑子河段曲线二维动床模型.模型控制方程离散时物理量布置采用非交错网格,避免了采用交错网格时所需的大量插值计算,提高了计算效率.模型较全面地考虑了非均匀悬移质及推移质运动,具有较好的普遍适用性.通过长江土脑子河段三峡水库蓄水以后2004年3~6月实测水沙资料对模型进行了验证,计算结果表明模型能够合理地反映土脑子河段水沙运动及河床变形规律.     

往复流作用下的粗颗粒推移质的输沙规律

推移质是海岸带泥沙输运的重要组成部分,粗颗粒推移质在波浪、潮汐等往复流作用下的运动规律是海岸工程建设的重要依据。从理论分析和试验研究两个方面分别对往复流作用下的粗颗粒推移质输沙规律进行了研究,提出了一个瞬时推移质输沙率的计算模型,并将试验结果与该模型的计算结果进行了对比验证,发现该计算模型对线性往复流作用下的推移质泥沙的运动趋势模拟良好,但对于其相位滞后效应考虑不足,其误差来源在于对附加质量力的忽略。     

非均匀推移质输沙率

本文提出了一种实测床面表层颗粒暴露高度的方法,并用此方法实测,提出了区分宽级配非均匀沙全动和部份可动的标准;进而提出了非均匀沙平均床面及其代表粒径的计算方法。考虑前后颗粒暴露高度及其分布的相互影响,导出了冲刷概率P_*=PP′的表达式,并根据非均匀沙大小颗粒暴露高度不一的特点,提出了非均匀沙推移质交换时间的表达式;最后获得了新的非均匀沙推移质输沙率公式。该式已经验证,可以直接用于实际工程中。     

非均匀推移质输沙率

本文提出了一种实测床面表层颗粒暴露高度的方法,并用此方法实测,提出了区分宽级配非均匀沙全动和部份可动的标准;进而提出了非均匀沙平均床面及其代表粒径的计算方法。考虑前后颗粒暴露高度及其分布的相互影响,导出了冲刷概率 P_*=PP′的表达式,并根据非均匀沙大小颗粒暴露高度不一的特点,提出了非均匀沙推移质交换时间的表达式;最后获得了新的非均匀沙推移质输沙率公式。该式已经验证,可以直接用于实际工程中。     

非均匀沙的运动特性与规律

在理论分析及前人试验结果的基础上,从非均匀沙的起动条件及机理、挟沙力及推移质输沙率的计算方法、悬移质不平衡输沙等方面分析了非均匀沙的运动特性,根据非均匀沙推移质输沙率公式分析了同一启动标准条件下输沙率的变化规律及输沙率变化的影响因素.     

往复流作用下推移质输沙强度的计算公式

为了研究往复流的非恒定效应对推移质运动的影响,能够更准确地预测往复流作用下推移质输沙强度的大小,本文通过对泥沙颗粒运动进行受力平衡和能量守恒分析,推导出往复流作用下推移质输沙强度计算公式,同时将Keulegan-Carpenter数引入公式中对相位滞后效应进行修正,最后根据往复流水槽的实验数据拟合得到一个用于计算半周期平均输沙强度的半理论半经验公式,该公式在小KC数情况下对实测值的预测相比于传统的准恒定流模型有明显提高。     

往复流作用下推移质输沙强度的计算公式

为了研究往复流的非恒定效应对推移质运动的影响,能够更准确地预测往复流作用下推移质输沙强度的大小,本文通过对泥沙颗粒运动进行受力平衡和能量守恒分析,推导出往复流作用下推移质输沙强度计算公式,同时将Keulegan-Carpenter数引入公式中对相位滞后效应进行修正,最后根据往复流水槽的实验数据拟合得到一个用于计算半周期平均输沙强度的半理论半经验公式,该公式在小KC数情况下对实测值的预测相比于传统的准恒定流模型有明显提高。     

一种新的弹道导弹弹道仿真方法

针对现有弹道导弹运动轨迹模拟中普遍存在的简化运动起始状态、模拟的弹道轨迹无法全面反映弹道导弹主动段实际运动特点的问题,提出了一种新的弹道仿真的方法.该方法采用控制力加速度转弯,利用弹道导弹仰角角速度和方位角角速度求解控制力加速度,建立了弹道导弹的动力学模型,实现了弹道导弹运动轨迹的模拟.仿真结果表明,该方法能够更加逼真地模拟弹道导弹主动段的运动轨迹,为弹道导弹的弹道特性分析和进行弹道导弹的跟踪算法研究提供数据支持.     

颗粒速度概率密度分布轨道模型及数值模拟

该文运用颗粒的随机运动方程推导得到的颗粒速度PDF方程,求解颗粒速度PDF方程获得颗粒速度的统计特性,再利用颗粒位置方程来求解颗粒的轨道.通过对颗粒湍流扩散的数值模拟,并与传统随机颗粒模型在颗粒速度均方根值和颗粒位移均方值上进行对比分析,从而得出两种模型优劣情况.     

大颗粒流化床上升管内两相流动的数值模拟

以欧拉双流体模型和两相流体动力学理论为基础,采用湍流模型对上升管内固液两相流流化过程中两相速度分布、流场特性以及局部压力变化进行了模拟.结果表明管内颗粒存在非定型团聚现象,并对液固管流流场进行了分析.颗粒团聚及破散运动是导致管内局部压力波动和液相能量变化的主要原因.在同一条件下,模拟结果能够与实验结果较好地吻合,为进一步研究多相流化床和优化设计提供了有力的依据.     

宽级配非均匀推移质输沙率的实验研究

非均匀沙推移质输沙率是生产中的一个重要问题,由于测验困难,许多河流尚无系统的原型观测资料。目前计算非均匀推移质输沙率的公式相差较大,难以得到统一的结论。本文利用实验及实测资料分析推移质输沙率的脉动特性,用负幂律分布进行描述,表明具有一定的普遍性。     

泥石流颗粒物质分选机理和效应

泥石流是一种由大量固体颗粒和液态水充分掺混所形成的多相流体,泥石流体内固体颗粒物质的相互作用所导致的泥石流颗粒物质的分选是引起泥石流流动性和冲击力大增的重要原因,是现阶段大型泥石流防治的重要关注方向.从基本的泥石流动力学理论出发,采用连续介质力学的方法构建泥石流运动的模型,初步分析颗粒分选对泥石流流动性的影响;进而采用离散元(DEM)数值模拟颗粒流的方法,对泥石流发展过程中颗粒间的作用方式和分选机理开展详尽的研究.研究结果表明:泥石流颗粒分选可以导致颗粒体内部孔隙水压力的重新分布,进而影响到龙头运动速度和颗粒体长度的激增;离散元数值模拟和分析进一步显示,区别于一般均匀颗粒所形成的颗粒流的边界层效应,颗粒分选能够显著地改变颗粒体内部的剪切速率的分布,从而弱化边界层效应.     

自由下落非均一粒径颗粒流的流场特性

利用DPM-CFD模型对非均一粒径颗粒流自由下落过程中气流速度的分布规律、颗粒的扩散和运动特性进行了研究,模拟结果与实验及理论吻合良好.研究发现,空气在轴心处形成射流,其周围有漩涡产生;气流速度沿径向先减小后增加,之后再次呈现下降趋势,在轴心处速度最大,且沿轴向增加;颗粒物浓度沿径向减小,扩散半径随粒径减小而增加;随着颗粒流的下落,颗粒速度的增幅由快到慢,逐渐趋于平缓;在小颗粒中混入大颗粒可使小颗粒沉降速度减小.     

基于随机配点法的饱和-非饱和水流运动模拟

为解决土壤水分运动的不确定性问题,研究了随机配点方法,并应用此方法建立了饱和-非饱和水分运动的随机模型,考虑了土壤分层及参数分布函数的差异,视渗透系数等参数为随机输入,探讨了土壤中水分运动的随机数值模拟,分析了随机配点法的计算性能和选点原则。研究结果表明:基于随机配点法的饱和-非饱和水分运动模拟相比于传统的Monte Carlo模拟极大地节省了计算成本,提高了计算效率;随机配点法可以直接在经典非饱和模型基础上搭建随机模型,这种方法能够快速地构建出水头的概率分布函数;不同的非饱和输入参数对水头的不确定性产生不同影响;随机参数的分布类型会影响到水分运动不确定性的预测。     

模拟颗粒布朗运动的格子Boltzmann模型

通过在格子Boltzmann方法的迭代格式中附加描述分子热运动涨落的分布函数,建立了描述颗粒布朗运动的涨落格子Boltzmann模型,给出了分布函数满足的条件以及在D2Q9格子模型下的具体表达形式.通过Chapman Enskog展开推导,得到了考虑分子热运动涨落的宏观流体动力学方程.在此基础上,对单颗粒在流场中的布朗运动进行了数值模拟,得到了颗粒运动的均方速度及速度、角速度时间自相关函数.结果表明,均方速度满足能量均分定理,说明颗粒最终达到热平衡;颗粒速度、角速度时间自相关函数符合理论预测的t-1、t-2衰减规律.数值结果证明了所建立模型的正确性,为采用格子Boltzmann方法模拟颗粒的布朗运动提供了有效的方法.     

气液固三相逆流湍动床流体动力学特性的三维数值模拟

基于多相流欧拉模型,应用计算流体动力学(CFD)软件Fluent 6.3,数值模拟了轻颗粒流、液体间歇方式进料的三维气液固逆流三相湍动床的流体动力学特性,考察了床内颗粒的轴径向速度和固含率分布规律。模拟发现:床内颗粒流化时存在颗粒的汇集行为;颗粒由床中心向壁面运动,中心附近颗粒径向速度大,壁面附近颗粒径向速度小;颗粒轴向速度分布不均匀,呈"两头小中间大"的趋势;固含率壁面附近高,中心附近低,并随轴向高度增加而减小;床内平均固含率随表观气速或液体黏度的增加而减小。     

黏性非均匀沙的起动概率

基于概率论与力学结合的方法，探讨了黏性非均匀沙的起动问题．将促使颗粒运动的外力矩大于颗粒保持静止的外力矩视为泥沙起动的临界力学条件，通过作用力臂的统计处理以反映颗粒在床面排列的随机性，并基于瞬时底流速的概率分布和试验资料建立起适合黏性非均匀沙的起动概率公式．其中作用力包括推移力、上举力、水下重力和黏性力，而黏性力表达式则根据因次分析和交叉石英丝试验得到，涉及到泥沙非均匀性、干密度和水压力等影响因子．摩阻流速的计算值与试验值的比较表明，起动概率和相应临界摩阻流速公式合理地刻画了非均匀沙起动的随机力学特性，考虑因素较为全面，对无黏性和黏性的非均匀沙均适用，可供潮汐河口非均匀沙冲刷预测时使用．     

大气地面污染带的模拟模型研究

针对以往把整个混合层作为大气扩散研究对象的问题,研究了大气地面污染带概念,建立了大气污染模拟模型。又考虑到目前大气污染模型仅注重研究铅直面上的二维扩散变化,而较少研究平面二维扩散问题,运用有限差分方法建立了大气地面污染带的平面二维数值模型。通过应用证实,该大气污染模拟模型能够真实反映近地面大气中污染物的扩散趋势及空间分布特征,对城市大气环境污染预测和防治具有实际意义。