[发明专利]一种平坦沙床上沙粒冲击起动的SPH数值模拟方法

摘要

本发明公开了一种平坦沙床上沙粒冲击起动的SPH数值模拟方法，运用光滑粒子流体动力学方法对风沙流中沙粒冲击沙床表面的起跳现象进行建模及模拟分析，动态地显示了沙粒与沙床碰撞的过程。SPH方法的特点是可以将计算区域分解成随着控制方程运动的离散粒子，与自然的沙粒形态非常相符。通过对基于SPH方法的模拟结果进行统计分析和对比表明风沙运动中碰撞对沙粒起跳起着非常重要的作用，并且这种作用始终贯穿于风沙流活动的全部过程中，沙粒的碰撞效应可以激起比其本身重而大的一个或若干个沙粒；模拟结果使得粒‑床碰撞的微观过程更加动态和准确，为风沙流的微观研究提供了更好的模拟方法。

主权项

一种平坦沙床上沙粒冲击起动的SPH数值模拟方法，其特征在于，包括以下步骤：步骤1、建立数学模型1.1大气边界层流动的控制方程1.2控制方程的SPH离散化步骤2、数值模拟(1)计算区域的设置：入射沙粒的粒径大小均为0.25mm；沙床沙粒的粒径随机分布在0.1‑0.25mm之间；入射沙粒与床面的距离在10层沙粒，模拟在各种不同入射角和入射速度下其碰撞床面后发生运动的过程，并做机理分析；(2)边界条件及初始条件：几何边界条件采用周期性边界条件；床面沙粒的初始速度为零；气流速度由风速对数廓线给定；入射沙粒的速度和方向人为给定；(3)模拟结果与分析：随着模拟时间的推移，入射沙粒在向下运动的同时，沙床上的沙粒也会在气流作用下产生速度；这些沙床上层的沙粒虽然还没有起跳，但它们都处于不同程度的准动状态，造成了沙床面的微起伏地形；因此，入射沙粒并不是与沙床上的静止沙粒碰撞；绝大部分入射沙粒在step＝4500时会与沙床最上层沙粒发生碰撞，但也有一小部分入射沙粒在向下运动的过程中因为气流场的局部改变致使其入射速度的大小和方向发生微小的变化而不能够到达沙床位置；入射沙粒与床面最上层的沙粒发生碰撞后大部分的入射沙粒会呈现回弹的趋势，也有一些入射沙粒会落在沙床上不再前进，而沙床上的沙粒被入射沙粒溅起，有些速度会很大，溅起的高度甚至超过大部分入射沙粒的回弹高度；那些被碰撞后回落的沙粒又再一次与床面沙粒发生碰撞。