风沙运动中,沙粒由于频繁的碰撞和摩擦带有一定程度的电荷,并形成风沙电场。沙粒带电以及带电沙粒在风场中运动所产生的风沙电场改变沙粒的运动控制方程而影响风沙运动。不仅如此,美国Surveyor 6和7探测器在月球表面探测到的亮光以及火星表面的强尘卷和强尘暴,科学家推测这些星球上也可能存在强尘暴电场,将对探测器正常运行、远程控制、数据传输有着非常重要的影响。另外,研究表明,沙粒带电对无线电通讯有不同程度的衰减。这一切都有赖于对风沙电及其基本规律的准确认识。无论是沙粒带电量的大小,还是风沙电场强度的计算,都离不开沙粒带电量的精确计算。沙粒碰撞、摩擦接触是沙粒带电的主要方式,而沙粒带电量与沙粒碰撞接触直接相关,所以研究风沙电最为理想的方法是跟踪每一个沙粒的运动,同时计算沙粒由于碰撞接触携带的净电量,从而计算风沙电场等。本论文围绕颗粒跟踪法模拟风沙电场展开研究,主要工作有:首先,研究了不同典型两球形颗粒碰撞模型两球形颗粒碰撞压缩量随颗粒粒径比以及相对碰撞速度的变化规律,同时结合两颗粒碰撞带电量模型,计算了两颗粒碰撞带电量,通过与结果对比发现,利用Zhou模型计算两颗粒碰撞带电量与实验结果吻合较好。基于此选择了本论文后续模拟风沙电过程颗粒碰撞量计算时的两颗粒碰撞模型。其次,由于本论文采用颗粒跟踪法模拟风沙流、风沙电,沙粒与沙床碰撞将参与模拟,是模拟中的重要组成部分,所以需要生成体量巨大、颗粒粒径级配多样的混合粒径沙床。基于现有的沙床生成方法及其各自的优缺点,结合现在快速发展的GPGPU技术,改进了原有的沙床生成算法,得到一种快速生成二维沙床的方法,同时分析了不同粒径分布以及颗粒数下生成二维沙床的效率,最后生成了类似腾格里沙漠沙粒粒径分布的二维沙床,为后续风沙流、风沙电数值模拟提供模拟沙床。最后,利用沙床选取的碰撞模型以及生成的二维沙床,在有初始沙粒碰撞沙床扰动和对数风场作用下,使用颗粒跟踪法数值模拟了风沙流的形成及发展到稳定的全过程,同时计算了沙粒带电量、荷质比以及风沙电场的时空演化。结果发现,风沙电场、风沙流荷质比随风沙流的发展、稳定逐步增大最后稳定;且风沙电场在沙床面以上随高度的增大而减小,荷质比则随高度的增大由正变负。摩阻风速对风沙电场与荷质比的影响则呈现正相关的趋势。此外,环境相对湿度对风沙电场也有显著影响。低相对湿度下,随着相对湿度的增大,电场也增大,但在高相对湿度下,电场随相对湿度的增大而减小,且在30%到40%时电场出现最大值。