沙粒跃移运动的高速摄影研究

在沙漠所沙风洞中用HS-16型高速电影摄影机以500幅/S片速对平均粒径为0.2mm的石英沙进行了拍摄。共摄得57颗沙粒跃移运动的部份轨迹。计算了各沙粒的速度和加速度水平、垂直分量表明: 1.沙粒运动中存在着巨大的脉动, 最大加速度脉动值可达重力加速度的30倍, 这说明湍流脉动的粘性力在跃移运动中起着重要作用。2。加速度脉动具有各向同性, 其平均值并不大; 加速度水平分量的平均值在各运动阶段中始终为正值, 说明不断受到风力的拖曳; 加速度垂直分量始终为负值, 说明除重力作用外, 再无其它稳定持久的非接触力作用于跃移的沙粒上; 因此跃移沙粒起跳的原因必然是在离开地面之前受到三种接触力之中的一种作用, 三者必居其一。考虑到沙粒在飞行过程中带有高速旋转, 因而排除了振功起跳和冲击起动的可能。沙粒起跳最大可能的原因是斜面飞升力。     

沙纹弹道成因理论评析

运用风沙地貌蚀积原理对长期风靡于风沙地貌学研究领域的R·A·拜格诺跃移质冲击起动学说进行了评析,在肯定该学说正确方面和历史贡献的同时,对其中的沙纹弹道成因理论提出了异议。在分析弹道理论特点后认为,跃移质等量、等高、等距的三等特性是拜氏冲击起动学说在沙纹成因上的具体运用和观点的集中体现。分析认为沙粒跃移特性轨迹只存在于少量的跃移质中,且很少具有连续性;它不能取代普遍存在于风沙移动之中沙粒的3种运动形式,也无法体现沙粒两种起动的相互关系和沙粒在移动中所表现出来的高低不一,移距长短不同的差异性和分选性。评析强调沙粒起动和沙粒运移的多样性,在寻求它们的规律时,不应简化其多样性,或追求运动的单一性和特殊性。实验证明,沙纹无论在初始的形成阶段,还是在后续的演进阶段,均有风力起动和冲击起动的参与,而不是跃移质单一冲击的结果。沙纹有规则的排列主要是贴地夹沙气流周期性脉动的反映,而不是跃移质特性轨迹的重演。     

论沙粒两种起动关系与沙粒跃移的双重性

研究沙粒两种起动关系是深入认识沙粒两种起动效能的继续和发展。文章分析了沙粒两种起动的不同性质，首次把流体起动界定为风蚀性起动，把跃移质冲击起动界定为置换性起动。认为流体起动具有主动分异性，而冲击起动只有随机分异性。根据这些特性对沙粒两种起动效能和沙粒连续移动提出了新义。认为沙粒跃移具有双重性，跃移质有其冲击地表的一面，也有其大量耗能的一面。沙粒两种起动具有兴衰与共的不可分割关系。地表风蚀是沙粒两种起动优势互补相互促进的结果；而地表堆积有时是跃移质耗能过多引起两种起动互相制约的结果。通过多方论证，将沙粒两种起动效能之由传统的19：1，初步改为4：1乃至3：1。     

土壤风蚀过程颗粒释放机理研究

针对目前土壤风蚀中土壤颗粒释放过程机理研究存在的不足,建立了颗粒在土壤表面起动、滚动、起跳的土壤颗粒释放力学模型,同时考虑了太阳辐射及地表温度产生的向上垂向风速对颗粒起动风速的影响,并采用前人的实验结果与本文模型数值计算结果进行了对比分析,证明其模型的合理性。数值结果表明：起动风速随颗粒粒径的增大先减小后增大,其中在0.12~0.14 mm粒径范围内颗粒最容易起动,同时床面温度越高对颗粒的起动风速影响也越明显,同一粒径下床面温度越高起动风速越小。颗粒在床面上的运动不是纯滚动,而是滚动中有滑动。颗粒起跳速度主要分布在0.3~0.65 m/s之间;起跳角度30°~35°之间;颗粒起跳的角速度主要分布在600~1 200 rev/s。土壤颗粒释放微观过程的研究将对改进土壤风蚀输送过程中的宏观监测与预报起到重要作用。     

风沙流起动阶段沙粒输运特征

为了探究风沙流起动过程中沙粒输运特征,利用PTV测量技术在风洞中对风沙流起动过程进行了测量,分析了沙粒空间分布、沙粒平均水平速度、输沙率、沙粒数密度和输沙通量随时间的变化规律。结果表明：风沙流起动时间大约为1.5 s。起动过程中,输沙率随时间迅速增加,气流中沙粒总数目随时间的变化可表示为指数函数,沙粒数密度和输沙通量随高度的变化均可近似表示为负指数衰减函数。在t=1.0 s时刻的沙粒平均水平速度大于相同高度处以后时刻的沙粒平均水平速度,同一高度处t=1.5 s以后的沙粒数密度大于t=0.5 s、1.0 s时刻的沙粒数密度,同一高度处t=1.5 s以后的输沙通量大于t=1.0 s时刻的输沙通量。沙粒数密度随高度的衰减率一般随时间的增加而减小,并在t=1.5 s后逐渐接近稳定值。     

用创新思维破解风沙运动机理——两种理论体系核心的剖析

从地理学视角首次将风沙运动分解为内核和外延两部分,提出沙粒起动是风沙运动的内核,将沙粒起动后的一切输移表现界定为外延。流体起动和跃移质冲击起动是构成内核的两个实体。利用这一创新理念,对风沙物理学和风沙地理学两种理论体系的不同核心展开讨论。结果表明:能否区分内核两个实体的不同本质属性和能否摆正两个实体的互动机理是导致两种理论不同核心的形成和出现许多分歧的根源。本文深化了对风沙运动内涵的理解,从理论上突破了R.A.拜格诺长期用一扬一贬沙粒两种起动观引领沙坛学术潮流的核心理念。     

风速正弦变化下的非平稳跃移风沙流模拟

 采用有限体积法模拟了风速正弦变化下的一维非平稳跃移风沙流发展过程。考虑风沙流跃移系统的4个子过程,沙粒的流体起动、沙粒的运动、击溅过程和沙粒对风场的反作用。给出在风速正弦变化时,风速变化频率和振幅对于沙粒输运的影响以及输沙率、风速廓线、床面剪切应力以及起跳沙粒数的变化规律。结果表明,输沙率随着振幅增大而增大,随着周期增大而减小;在初始的overshoot现象之后,床面剪切应力变化很小,但起跳的沙粒数随风速呈现类正弦周期变化。     

三维空间中沙粒旋转对其跃移轨迹的影响

风沙流中沙粒旋转通常具有明显的三维旋转特性。本文通过数值建模考察了三维空间中不同沙粒旋转状态所产生的Magnus力对其跃移运动轨迹特征的影响。在三维坐标系中,X、Y、Z轴分别表示水平、垂直和横向方向,气流沿X方向流动,沙粒起跳时位于XY平面内。结果表明,跃移沙粒仅绕Z轴旋转起跳时,初始起跳角速度的增大会导致在XY平面内的跃移高度和跃移距离减小而降落角增大,但Z方向没有运动发生。跃移沙粒仅绕X轴或Y轴旋转起跳时,绕X轴或Y轴的初始起跳角速度的变化对在XY平面内的跃移轨迹特征量没有显著影响,但沙粒偏离XY平面的偏离距离和偏离角的绝对值随起跳角速度绝对值的增加而增大。因此,沙粒起跳旋转状态对其跃移轨迹有重要的影响。     

风沙流中不同粒径组沙粒的输沙量垂向分布实验研究

在非均匀沙床面上, 风沙流中不同粒径组沙粒的输沙量垂向分布, 是非均匀风沙运动研究的重点。研究首先通过风洞实验, 收集了风洞中垂线垂向输沙量分布沙样, 然后对集沙沙样进行了沙粒粒度分析实验, 实验分析结果得出了不同粒径组沙粒的输沙量垂向分布规律, 基于稳定平衡风沙跃移运动模型和本文实验结果, 最后数值模拟研究了不同粒径组沙粒输沙量垂向分布, 与沙粒起跳速度和角度之间的关系。本文研究结果得出, 在非均匀风沙流中, 粗粒径组沙粒垂向输沙量上部符合指数递减分布但近床面区偏离指数分布, 呈现为偏大型分布, 粗粒径组对应的沙粒起跳速度和角度分布均为指数函数; 细粒径组沙粒垂向输沙量在整 个高度上均符合指数递减规律, 细粒径组沙粒对应的起跳速度分布为指数函数, 起跳角度分布为高斯函数。沙粒的平均起跳速度, 在0.4u*~2.2u* 之间变化, 随着气流风速(u*) 和沙粒粒径的增加而减小。     

基于湍流结构的风沙颗粒起动动态演化的概念模式

从驱动沙粒群起动的湍流结构入手,提出了基于气固两相流自调节机制的风沙颗粒起动的概念模式。受风沙边界层湍流相干结构的产生、消亡、湍流的随机脉动和运动沙粒群碰撞过程的动量损失等因素的控制和影响,风沙两相流始终处于不平衡—平衡—不平衡的动态演化之中,在此过程中,存在着普通的空气动力学起动、典型的冲击起动、湍流猝发起动等多种起动方式的循环交替的动态演化。上述多种的沙粒起动方式能够根据风沙边界层边壁区的湍流运动应力和沙粒群碰撞过程的动量损失来界定。该概念模式需要综合利用相位多普勒粒子动态分析测速技术、粒子图像测速技术和高速数字摄影技术等手段来进一步验证。该概念模式的提出,将为深入理解沙粒起动的力学机制提供新的思路。     

高速摄影技术在风沙颗粒测速中的应用研究

通过相邻图像减法获得了清晰的沙粒运动图像。在此基础上,分别提出了通过人工目视解译与计算机追踪相结合进行跃移颗粒数字轨迹追踪的多帧图像匹配算法以及更适用于计算跃移沙粒群运动瞬时速度场的两帧图像匹配算法。结果表明：与前人研究采用的单纯的人工匹配计算相比,多帧图像匹配算法在保证数据准确性的同时,极大的提高了工作效率。两帧图像匹配算法克服了传统的PTV匹配算法对流场内粒子群运动特征的要求,更加适宜于跃移沙粒群的速度测量,不仅拥有较高的匹配率,而且全过程实现全自动计算,具有较高的计算速度,能够为跃移相整体运动特性研究提供具有代表性的数据。因此,此方法有助于高速摄影技术在研究跃移沙粒运动中的优势更加明显。     

Simulation on sand grain/bed collision mechanism: Cascade collision and ejection (1)

Ejection of sand grains from a sand surface is assumed to result from cascade collision caused by the impact of a saltating particle. Allowing for only two-body cascade collision and introducing new quantities such as the cross-section for sand grain–grain collisions and sand surface binding energy, the theoretical model for the cascade collision of ion particles is applied to simulate sand grain/bed collision processes. The results of simulations indicate that the collision cascade events caused by impacting particles can eventually lead to the ejection of grains taking place from the sand surface. The number of ejected grains at any surface point is found to be proportional to the fractional energy deposited at that point and inversely proportional to the sand surface binding energy. This cascade collision model also confirms that the peak in the spatial distribution of ejected grains does not appear at the impact point but is located downwind, and that the speed distribution of ejected grains at a fixed angle exhibits a peak having a value directly related to the ratio of surface binding energy to the mass of the ejected grain. The angular distribution at a certain ejection speed also exhibits a maximum at an ejection angle near 90°. The model also offers a new interpretation for the observed variability in the number of ejected grains under constant impact velocity; this variability is directly related to the wide distribution of the energy deposition in the surface layer of the sand bed.     

紊流风场中起跳沙粒的轨迹特征

运用颗粒流体二相流的随机行走扩散模型(DRW)研究了紊流风场下起跳沙粒的运动轨迹特性。得出了轨迹特性(长度、高度、撞击角)随沙粒的大小和风速的变化规律,发现随沙粒粒径的减小紊流脉动对轨迹的影响显著增大。粒径在200μm以下时,紊流风场下计算得的轨迹形状与平均风场下得到的轨迹有明显差异。     

VERTICAL DISTRIBUTION OF GRAIN-SIZE PARAMETERS OF DRIFTING PARTICLES DURING SAND STORMS IN THE TAKLAMAKAN DESERT,CENTRAL ASIA

The vertical distributions of grain-size parameters of drifting sand flux during sand storms in the Taklamakan Desert, Central Asia, were investigated through field observation and laboratory wind-tunnel tests. The results show that grain-size parameters of the drifting sands near the ground surface are similar to those of the source deposits. Fine and very fine sands in the flux layer near the ground surface (from zero to 20 cm high) comprise more than 85% of the sample's weight, with a mean diameter of 0.09 mm. The distributions of transported particles are mainly negatively skewed, with good sorting. The creep population consists of poorly sorted coarser particles. In the saltation layer, particle size becomes finer as a power function of height from 4 to 14 cm. Sorting in the saltation layer is good and improves as a logarithmic function of height. The higher the transport layer, the more negatively skewed the particle distribution becomes as a logarithmic function of height. It becomes more leptokurtic as a power function of height in the transport layer from zero to 12 cm high. Grain-size parameters change irregularly at heights above 14 cm. Regional differences in the vertical distribution of grain-size compositions are affected by source deposits, wind speeds, and transport rates, but source has more influence on the sorting of the drifting material than wind velocity.     

A Wind Tunnel Investigation of the Shear Stress with A Blowing Sand Cloud

In a blowing sand system,the wind provides the driving forces for the particle movement while the moving particles exert the opposite forces to the wind by extracting its momentum.The wind-sand interaction that can be characterized by shear stress and force exerted on the wind by moving particles results in the modification of wind profiles.Detailed wind pro-files re-adapted to blown sand movement are measured in a wind tunnel for different grain size populations and at differ-ent free-stream wind velocities.The shear stress with a blowing sand cloud and force exerted on the wind by moving par-ticles are calculated from the measured wind velocity profiles.The results suggest that the wind profiles with presence of blowing sand cloud assume convex-upward curves on the u(z)-ln(z) plot compared with the straight lines characterizing the velocity profiles of clean wind,and they can be better fitted by power function than log-linear function.The exponent of the power function ranging from 0.1 to 0.17 tends to increase with an increase in wind velocity but decrease with an increase in particle size.The force per unit volume exerted on the wind by blown sand drift that is calculated based on the empirical power functions for the wind velocity profiles is found to decrease with height.The particle-induced force makes the total shear stress with blowing sand cloud partitioned into air-borne stress that results from the wind velocity gradient and grain-borne stress that results from the upward or downward movement of particles.The air-borne stress in-creases with an increase in height,while the grain-borne stress decreases with an increase in height.The air-borne shear stress at the top of sand cloud layer increases with both wind velocity and grain size,implying that it increases with sand transport rate for a given grain size.The shear stress with a blowing sand cloud is also closely related to the sand transport rate.Both the total shear stress and grain-borne stress on the grain top is directly proportional to the squ     

风蚀影响因子的敏感性试验

 对风蚀模式的各重要影响因子进行了敏感性试验，结果表明：①随风力的增大，跃动沙粒的粒径范围迅速增大，从而会使更多、更大的尘粒因受到更强烈的撞击作用而释放于空中。但随土壤水分和植被覆盖度的增加，跃动沙粒粒径范围会变窄，较大的粒子很难被激发到空中。②各种土壤沙流通量及尘粒释放率随粒径的变化趋势Q(d)和F(d)与相应的地表土壤有效粒度分布Ps(d)具有相似的特征，说明前人用近地层沙尘粒度分布来代表地表土壤的有效粒度分布是合理的。③若以总沙流通量Q>0.5 g·m^-1·s^-1为风蚀过程开始发生的标准，在干燥、裸露的情况下，沙土、沙壤土、壤土、黏土和粉黏土表面发生风蚀的临界摩擦速度都约为0.3 m·s^-1。相同风力条件下（u*=0.6 m·s^-1），若地表干燥（w=0）并忽略小于0.1 g·m^-1·s^-1的总沙流通量，则抑制5种土壤发生风蚀的最小植被覆盖度分别约为：沙土0.35、沙壤土0.45、壤土0.45、黏土0.55、粉黏土0.55；若地表裸露，抑制风蚀发生的最小水分含量分别为：沙土0.15、沙壤土0.18、壤土0.3、黏土0.36和粉黏土0.33。④通常情况下沙土最不易起尘，它在各个粒径的尘粒释放率比其他土壤均约小3~5个量级。粉黏土最易起尘，且粒径较小，较容易传输到下游很远处。⑤总尘粒释放率F和总沙流通量Q随风力、地表条件的变化一般是同相的，即Q增大，F也会增大。⑥一般情况下F随摩擦速度u*的增大或植被覆盖度cf和土壤水分w的减小而增大；土壤拖曳系数sx和弹性压力垂直分量pye的增加会大大降低尘粒释放率。⑦通常风蚀情况下，5种土壤中粉黏土和沙壤土因聚合粒子破碎产生的尘粒释放率Fc最大，Fc随风力、地表条件变化的敏感度也最强；沙土的Fc最小，其对风力、地表条件的敏感度也最弱。     

沙丘沙休止角影响因素实验研究

休止角是沙丘沙重要的组合特性,是控制沙丘形态的重要因素之一。根据现有观测资料,从风沙物理学角度,定性分析了其主要影响因素;通过设计实验方案,选择不同材料,对不同状态下的沙丘沙休止角进行了实验,从机理上证实了各因素对休止角的影响过程。结果表明,粉体沙丘沙的休止角大小的主要影响因子是颗粒之间分子力;粒径并不是影响沙丘沙休止角大小的直接因素,而是通过砂砾的球形度、表面粗糙度间接来影响沙丘沙休止角的大小,且其球形度起主要影响作用;平均粒径相同,不同颗粒配级的沙丘沙休止角的大小也不一样,且随着颗粒配级不均匀程度的增大,休止角增大;沙砾的质地影响沙丘沙的休止角大小,如果矿物成分完全相异,即使两者级配一致,休止角大小也会有很大的差异;含水量对沙丘沙休止角的影响强于其他因素,但并不是简单直接的正比关系,而是呈先增大后减小的关系。