面向装备固沙的沙障数值模拟方法与作用结构研究

【摘要】我国沙害严重,在治理沙漠化的技术装备手段中,草沙障是应用最广的一种机械固沙工程方法。但当前对草沙障的作用机理研究不足,阻碍了治沙装备的研发和推广本文的以栽植草沙障的工程实践应用研究为目标,从广泛使用的防风固沙草方格沙障入手,利用激光扫描仪和图象等多传感器融合技术对沙面和沙障进行结构测绘,采集沙障地貌形态特征数据。在沙障3D点云模型基础上,进行沙障气动外形研究。利用风沙动力学、流体力学等的研究手段,对草沙障的基本结构和格网结构在流场中的作用机理进行了研究。基于流体力学数值计算方法及湍流理论,提出了沙障内流场存在稳定的沙障后方形成诱导涡流的现象的数值模拟方法,验证并分析了沙障后方稳定的诱导涡流结构对防风固沙效果有着重要影响；研究确立了涡流结构的稳定位置、尺寸与沙障尺寸参数的关系模型,利用CFD数值模拟,获得了系列不同尺寸规格的沙障后方诱导涡流的形态、作用机理和尺寸等特征规律。利用风沙作用模拟方法研究并构建了驻涡成型的沙面曲面函数,该外形曲线函数充分考虑了沙堆休止角作为背风边缘的设计参考因素,使阻滞沙流容量能力的最大化。同时能够根据不同的间隔尺寸进行调节,可确定出了草沙障的两个相关控制参数：基于侵蚀量的沙障间隔控制系数和基于侵蚀强度的凹坑深度控制系数。利用计算流体力学方法深入探讨了非平面条件下沙丘在气流场中附面层内压力梯度和速度矢量场变化的规律,利用k-ε湍流模型对凹坑形态条件下的结构化旋涡进行了模拟。结合具有一定孔隙度的沙障与沙垄模型,可选定于地形风力相适应的多边形沙障形态,通过沙坑平衡侵蚀积分条件给出了沙障填充的尺寸控制参数选择范围。针对草方格沙障减弱沙丘移动的本质性问题,以非光滑表面减阻的理论为切入点,根据沙凹坑曲线模型,设计了六边形的沙障和凹坑形貌,达到用料少、涡流大的目标.利用CFD软件行改进的方法和参数。并在沙障结构形态的要求基础上,探讨了作业装置的作业方式和轨迹控制的基本要求。本文针对治沙的技术装备要求,提出了涡流与沙障关系模型,创建了控制沙面和沙障的若干参数和工艺力法。这种关系模型和作用方法的创新性是利用流体的粘性特性,将惯性剪切方向的动能转换为涡流的环量动能,最终依靠这种稳定的凹坑型面和多边形结构减弱了主导风向的惯性剪切作用,减少了沙粒朝着主导风向迁移的速度,从而达到防风固沙的效果。本文的研究结论能够在荒漠化治理,特别是固定沙丘的固沙工程实践研究发挥理论指导作用。
【作者】黄青青；
【导师】刘晋浩；
【作者基本信息】北京林业大学，森林工程，2014，博士
【关键词】流体力学；涡流；数值模拟；草沙障；防风；固沙；

【参考文献】
[1]高阳.基于平衡记分卡的战略控制系统:信息框架、系统结构与案例[D].东南大学,2005.
[2]杨青云.新时期文学中的“藏地书写”[D].西南大学,中国现当代文学,2013,硕士.
[3]陶志,许宝栋,汪定伟,李冉.一种基于粗糙集理论的连续属性离散化方法[J].东北大学学报,2003,08:747-750.
[4]徐菁.前期延安文艺对外国文艺的接受与创化[D].延安大学,中国现当代文学,2014,硕士.
[5]刘寿先.高校在数字出版产业集群发展中的作用[J].科技与出版,2014,08:113-116.
[6]肖晓伟,肖迪,林锦国,肖玉峰.多目标优化问题的研究概述[J].计算机应用研究,2011,03:805-808+827.
[7]徐菲菲.产酶溶杆菌中一个孤立LuxR蛋白的鉴定和功能研究[D].南京农业大学,植物病理学,2013,硕士.
[8]朱齐荣.石墨烯的纳米摩擦学及磨损性质研究[D].上海交通大学,2013.
[9]钱波.视频图像字符认知特征提取与识别研究[D].合肥工业大学,检测技术与自动化装置,2004,硕士.
[10]余星.基于捷联惯性的水下载体姿态检测系统研制[D].杭州电子科技大学,电路与系统,2013,硕士.
[11]刘海渊.A公司项目运营资源配置研究[D].广东工业大学,工商管理（专业学位）,2013,硕士.
[12]毕玉国.中国股票市场波动的影响因素研究[D].山东大学,金融学,2014,博士.
[13]肖华.崔铮:欧菲光首席科学家打造中国触摸屏[J].中国发明与专利,2014,04:108-110.
[14]李永江.胫骨移植的应用解剖学研究[D].青岛大学,人体解剖学,2003,硕士.
[15]钱钢,冯向前,徐泽水.区间数互补判断矩阵的一致性[J].控制与决策,2009,05:723-728+733.
[16]刘思呈.汉代女性长袖舞研究[D].中国艺术研究院,舞蹈学,2014,硕士.
[17]曾华霖,杨华.大港—渤海西部地区重力异常数据的处理和解释[J].石油地球物理勘探,1991,02:210-219+266.
[18]吴陈军.单框架控制力矩陀螺抗发射冲击能力研究[D].哈尔滨工业大学,航空宇航制造工程,2013,硕士.
[19]王莎.非线性分数阶动力系统的控制研究[D].北京交通大学,运筹学与控制论,2014,博士.
[20]于宁.烷基糖苷的合成及物化性能分析[D].大连理工大学,应用化学,2004,硕士.
[21]郭文帅,荣朝和.中央与地方政府关系对公共资源配置影响的时空分析[J].北京交通大学学报(社会科学版),2015,01:.
[22]谢玄.公共危机管理中政府与媒体互动关系研究[D].西北大学,行政管理,2014,硕士.
[23]严文静.专家民事责任立法研究[D].贵州民族大学,法律,2013,硕士.
[24]温继锋.晋中市矿山地质环境恢复治理模式研究[D].中国地质大学（北京）,公共管理,2012,硕士.
[25]贺正楚.企业危机管理：组织与组织管理的视角[D].中南大学,2004.
[26]夏鹏.牛HSF1基因的遗传变异及其与乳腺健康的相关性分析[D].南京农业大学,动物遗传育种与繁殖,2012,硕士.
[27]贺叶叶.甘南州义务教育均等化对策研究[D].兰州大学,行政管理,2013,硕士.
[28]周帅,林富平,王玉魁,沈应柏,张汝民,高荣孚,高岩.樟树幼苗机械损伤叶片对挥发性有机化合物及叶绿素荧光参数的影响[J].植物生态学报,2012,07:671-680.
[29]赵慧.数据仓库和数据挖掘在CRM中的应用研究[D].首都经济贸易大学,2004.
[30]谢梅.网络经济时代企业文化的再造[D].电子科技大学,2002.
[31]张伟.阶梯阻抗型双通带/三通带平面滤波器设计[D].西安电子科技大学,电磁场与微波技术,2012,硕士.
[32]鲁瑞龙.JY留学中介公司发展战略研究[D].云南大学,工商管理,2012,硕士.
[33]刘鹏.石墨烯和氧化铜复合材料的制备及电容性能研究[D].上海大学,化学工艺,2013,硕士.
[34]蔡超波.DVB-H调谐芯片中有源低通滤波器的设计[D].杭州电子科技大学,电路与系统,2013,硕士.
[35]李歧强,钱积新,李现明,金萍.自适应模糊神经网络控制器在电阻加热炉中的应用[J].控制与决策,1999,02:93-96.
[36]廖愉平.基于资产配置模型的养老基金投资管理分析[D].重庆交通大学,管理学,2011,硕士.
[37]王欣,吴舒辞,秦斌.硬质合金湿磨机自动控制系统[J].冶金自动化,2003,05:64-66.
[38]王欢莉.山羊瘤胃原虫与细菌之间氮周转规律与机制的研究[D].扬州大学,动物营养与饲料科学,2014,博士.
[39]彭黎琼,谢金花,郭超,张东.石墨烯的表征方法[J].功能材料,2013,21:3055-3059.
[40]仇培涛.固体充填开采的分数阶渗流-蠕变模型及应用[D].中国矿业大学,工程力学,2014,硕士.
[41]罗旭红.基因水平的疾病遗传关联分析方法研究[D].宁波大学,流行病与卫生统计学,2014,硕士.
[42]诸莉莉.高中物理热学知识学习结果的测试与分析[D].苏州大学,学科教学（专业学位）,2014,硕士.
[43]许霞飞.科技语篇汉译英质量评估[D].浙江工商大学,外国语言学及应用语言学,2013,硕士.
[44]李慧.会计信息可比性研究评述及未来展望[J].企业改革与管理,2015,06:134.
[45]于京昌.桩梁式托换荷载转换规律和变形特性的数值分析[D].山东建筑大学,建筑与土木工程（专业学位）,2013,硕士.
[46]周建.中日韩砂梨引种、筛选及始果树营养诊断的研究[D].中南林学院,森林培育,2004,硕士.
[47]张鑫.电位控制银电极上分子催化反应的表面增强拉曼光谱研究[D].首都师范大学,光学,2014,硕士.
[48]兰奇逊,梁家荣,高许岗.不确定广义双线性系统的鲁棒镇定[J].自动化学报,2008,06:707-710.
[49]包国栋.房地产企业纳税筹划研究[D].内蒙古财经大学,财政学,2012,硕士.
[50]刘文骞.氧化石墨烯的制备及其对铸型尼龙的改性研究[D].河北工业大学,高分子化学与物理,2013,硕士.