【摘要】：本文基于大渦模擬和點力模型研究湍流邊界層中顆粒與湍流的相互作用,首先,本文提出了一種近壁平均速度梯度改進(jìn)渦粘計算的簡單的修正方法,并基于此方法模擬了Re_??3?1 0~7的高雷諾數(shù)大氣邊界層壁湍流,其中亞格子模型采用尺度依賴動力渦粘模式。模擬結(jié)果表明:所提出的修正方法能夠有效改善湍流平均速度廓線的預(yù)測結(jié)果,并合理捕捉湍流相干結(jié)構(gòu)的主要特征。同時采用湍流大渦模擬與顆粒點力模型數(shù)值模擬了可侵蝕顆粒床面上高雷諾數(shù)水平槽道湍流顆粒兩相流動,以分析顆粒對湍流的調(diào)制作用機理。結(jié)果表明:可侵蝕顆粒床面上的顆粒分布在流向高、低速流體中間。平均三維顆粒濃度結(jié)構(gòu)近壁大遠(yuǎn)壁小,呈hill-like狀。除非�？拷�(y~((10))(27)3)外顆粒平均速度均小于湍流平均速度;整個計算高度內(nèi),顆粒流中的流體流向平均速度相比單相流減小。近壁顆粒導(dǎo)致流向速度脈動、雷諾應(yīng)力相比單相流衰減,遠(yuǎn)離壁面增強,衰減與增強的轉(zhuǎn)折點在約y~((10))?40,隨雷諾數(shù)增大而降低。垂向和展向速度脈動在整個計算高度內(nèi)均增強。顆粒流中,由速度相關(guān)確定的湍流結(jié)構(gòu)的流向與展向尺度在近壁內(nèi)區(qū)增大,外區(qū)湍流結(jié)構(gòu)尺度減小。雷諾應(yīng)力的象限分析顯示,第二象限(Q2)和第四象限(Q4)的應(yīng)力幅值和發(fā)生頻率在近壁減弱遠(yuǎn)壁增強,第一象限(Q1)和第三象限(Q3)象限應(yīng)力幅值近壁幾乎不變,但頻率增大,遠(yuǎn)壁幅值增強頻率不變。條件分析揭示,躍移層顆粒對外層流體表現(xiàn)為活躍粗糙元,是導(dǎo)致內(nèi)層流向速度脈動和雷諾應(yīng)力減弱而外層流體速度脈動與雷諾應(yīng)力增強的主要原因。此外,顆粒上升和下降過程中的條件平均流場表明,顆粒由于重力作用導(dǎo)致的下降過程是使湍流結(jié)構(gòu)受影響的主要原因。另外,本文采用將顆粒拉格朗日軌跡模擬與湍流含壁模型大渦模擬(WMLES)相結(jié)合的方法,成功再現(xiàn)了區(qū)域為600m×12m×75m的近地表風(fēng)沙流輸沙的沙條帶現(xiàn)象。以濃度相關(guān)系數(shù)提取條帶的特征尺度發(fā)現(xiàn)隨風(fēng)速增大減小、隨粒徑增大而增大。在典型的0.2mm粒徑下,濃度相關(guān)系數(shù)0.05為0.2mm時,沙條帶的流向特征長度尺度為24~30m,寬度可達(dá)3m,在粒徑為0.5mm時,流向特征長度尺度為30~90m,展向?qū)挾瓤蛇_(dá)6~12m,為與已有野外觀測結(jié)果吻合。本文分析表明:平坦、均勻可侵蝕地表沙條帶現(xiàn)象與風(fēng)場存在湍流超大/大尺度結(jié)構(gòu)有關(guān),高濃度輸沙出現(xiàn)在條件平均的超大/大尺度結(jié)構(gòu)掃掠地表時的尾跡區(qū),可以看作是外區(qū)湍流結(jié)構(gòu)在近壁躍移層的足跡;同時,沙條帶現(xiàn)象受風(fēng)沙流中沙粒和地表擊濺過程的影響,在不可侵蝕的表面上,沙條帶雖然可以向下游延伸很長的距離,但會變窄。
【學(xué)位授予單位】：蘭州大學(xué)
【學(xué)位級別】：博士
【學(xué)位授予年份】：2019
【分類號】：O359
【圖文】：

(c) (d)圖 1-2 自然界中的風(fēng)沙運動，（a）近地表風(fēng)沙流運動，圖片來自于 Baas,08(Geomorphology)，（b）沙塵暴，圖片為 2012.12.19 德克薩斯州的沙塵暴，（c） 風(fēng)雪圖片來自于百度百科，（d）水沙運動，圖片來自于百度百科。以風(fēng)沙兩相流為例，在沙塵暴中，由于氣體的作用，不同大小的顆粒在運程中采用不同的運動方式運動。Bagnold (1941)將顆粒運動分為三類;懸移、、蠕移，如圖所示。

(a) (b)(c) (d)自然界中的風(fēng)沙運動，（a）近地表風(fēng)沙流運動，圖片來自ology)，（b）沙塵暴，圖片為 2012.12.19 德克薩斯州的沙塵暴片來自于百度百科，（d）水沙運動，圖片來自于百度百科相流為例，在沙塵暴中，由于氣體的作用，不同大小同的運動方式運動。Bagnold (1941)將顆粒運動分為圖所示。

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