脉动风场下跃移沙粒对风的响应时间

风沙流是大气边界层的典型气固两相流,输沙率对风速的响应滞后时间,被称为风沙流响应时间。通过野外测量发现风沙流响应时间与风速测量高度成正比,通过对瞬时风速进行信号分解并计算近地表输沙率与不同时间尺度风速信号之间的相关性,发现响应时间随风速频率的减小而增加。为进一步得到定量的规律,采用数值模拟的方法分析了周期来流风场中,风沙流响应时间随各种参数(周期\,湍流强度\,来流摩阻风速和测量高度等)的变化规律。模拟结果显示:响应时间与风速变化周期、来流摩阻风速成正比,与湍流强度和边界层高度成反比,输沙强度对跃移层外风速变化的响应时间沿高度先增加后减小。     

稳态风沙流中瞬态输沙特征

风沙流中沙粒运动在来流风速不变时也会表现出非稳态特征。在风洞内利用粒子图像测速系统（PIV）测量了风沙运动的时间序列，并基于PIV测量技术提出风沙流中沙粒平均直径、数密度、平均水平速度和输沙通量等参数在某一时刻的计算方法，其中输沙通量的计算考虑沙粒大小垂向分布的影响。结果表明：来流风速不变时，沙粒平均直径、数密度、平均水平速度和输沙通量随时间具有明显的波动性；沙粒平均直径和平均水平速度的标准偏差一般随高度增加而增加，沙粒数密度和输沙通量标准偏差随高度增大而减小；这些参数的相对标准偏差均随高度增加而增大。     

风沙运动的理论模拟和风洞实验对比研究

针对输沙率这一风沙运动的重要问题,在沙坡头野外风洞进行了实验观测,同时建立热对流-扩散作用下的风沙运动多场耦合模型,采用大涡模拟方法对其进行数值模拟研究。通过对比实验观测和理论模拟,结果表明:实验和理论模拟得到的风速和输沙率都比较吻合,风速近似可分为两部分,在35 cm高度以上,风场受沙粒的影响较弱,风速服从对数分布,与净风场一致;在0~35 cm高度区间,受大量跃移运动沙粒的阻滞作用使得风速单调减小,随着风速加强,跃移运动沙粒的数量也在增大,风速梯度逐渐减小。在风沙流发展过程中,开始阶段输沙率随时间呈指数增大,而后逐渐减小,直至达到动态稳定;随着风速加强,输沙率变大,风沙运动达到动态稳定的时间变短。风洞实验和理论模拟的输沙率结果在10 cm以上吻合得很好,但在10 cm以下,风洞实验和理论模拟差别较大。同一风速下,采用最小二乘法对风洞实验和理论模拟的输沙率进行拟合并得到拟合公式:输沙率沿高度呈指数规律递减。同时,在不同风速下对同一高度层输沙率对比分析表明,贴近地表处(0~10 cm)高度层内输沙率随风速增大所占的百分率降低;而在10 cm以上高度层内,随着风速的增大,其输沙率所占总输沙率的百分比却有明显增加。     

风沙流中风速纵向脉动的实验研究

在4种风速条件下对风沙流中风速纵向脉动特性进行了风洞实验研究。研究发现，风速纵向脉动很大．不容忽视；脉动绝对大小随进口风速提高有增强趋势，随着高度的增加则变化不大；垂线脉动强度平均值随主流速度基本成正向线性关系；以脉动强度与当地风速之比表示的相对脉动强度随高度增加而降低，并且不同风速条件下相对脉动强度在床面附近相差较大，远离床面则趋向一致。另外，采用幂函数形式可较好地描述风沙流中平均风速的垂线分布。     

几种典型戈壁床面风沙流特性比较

通过不同材料覆盖的戈壁床面风沙流特性风洞模拟实验,发现对于棱角状砾石戈壁床面,地表动力学粗糙度随风速的增加而增加;而卵石床面,地表动力学粗糙度随风速的增加呈减小趋势。戈壁床面风速随高度的分布同样满足对数规律,棱角状砾石床面对风速的减弱程度相对于卵石床面更趋于显著。沙粒与戈壁床面棱角状砾石发生碰撞时其起跳高度增大,引起含沙量随高度分布不再满足流沙地表的指数衰减规律,而呈“象鼻效应”,出现拐点。戈壁地表输沙率与风速服从幂函数关系,但其幂指数远大于流沙地表。输沙率与风速之间幂函数关系中幂指数的取值主要受控于地表粒度组成。     

库布齐沙漠南缘抛物线形沙丘表面风沙流结构变异

对库布齐沙漠南缘抛物线形沙丘表面气流和输沙率的野外观测和分析结果表明,沙丘表面约90%的风沙输移集中在距沙面0.10 m高度范围内,输沙率随高度递减的形式在沙丘各部位因风速、下垫面状况和坡面形态不同而发生变异。沙丘迎风坡坡脚因出露坚硬、含砾石地表,颗粒跃移高度大,风沙流上层相对输沙率大;迎风坡沙粒沿坡向上运动,颗粒跃移高度减小,风沙流中近地表相对输沙率大;沙丘背风坡沙粒沿坡向下运动,加之来自丘顶变型跃移物质的影响,风沙流上层相对输沙率较大;脊线受迎风坡各个断面地形差异的影响,各观测点间风沙流结构差异显著。风沙流结构在迎风坡和丘顶均遵循指数递减规律(Q=aexp(-z/b)),其中,指数函数拟合中系数a与输沙率具有良好的幂函数关系,随风速增加而增加,但二者关系较弱;b与二者无相关性。背风坡风沙流结构具有明显的分段现象,以0.10 m高度为界,下层符合指数函数,上层符合幂函数。     

丘间低地不同部位风沙流结构特征

为了研究丘间低地不同部位风沙流结构特征,摸清风沙运动规律,为丘间低地风沙治理提供理论依据,使用阶梯式集沙仪对丘间低地风沙流进行了观测。结果表明,丘间低地不同部位风沙流结构存在明显差异,输沙率随沙源距离的增加而减小,风速越大,差异越明显,沙源丰富度和地形是造成差异的主要原因。在0~80 cm范围内,输沙量与风速呈指数函数关系,输沙率与高度呈幂函数关系。丘间低地风沙流结构特征值λ在沙源不同距离处均大于1,而且随着风速的增加,λ逐渐增加,风沙流趋向于更加不饱和状态。从近沙源处开始往后,λ基本呈增加趋势。     

毛乌素沙地不同下垫面的风沙运动特征

 基于野外实地观测,研究了毛乌素沙地不同下垫面的风沙运动特征。平坦流沙地上的风速随高度呈对数分布; 沙丘上的风速梯度在高度上的变化随植被盖度增大而增强; 相近风速下,0~60 cm高度范围内的输沙强度从大到小依次为流动沙丘丘顶＞平坦流沙地＞半流动沙丘丘顶＞裸露黄土梁地＞黄土梁翻耕地＞玉米留茬地＞半固定沙丘丘顶。同一植被盖度下,沙丘顶部输沙率随风速增加而增大,粗糙度随风速增加而减小。当风速小于起沙风速时,粗糙度随植被盖度的增加而增大; 当风速大于起沙风速时,平坦流沙地和沙丘顶部的粗糙度随风速增大有增加趋势,产生这种现象的可能原因是跃移层沙物质对气流的阻力随风速增大而增大。根据各类沙源地的起沙强度和总面积,风沙灾害防治的重点是植被盖度较小的沙地和黄土梁地。     

不同下垫面对风沙流特性影响的风洞模拟研究

通过对戈壁、草方格和流沙地表风沙流特性的风洞模拟实验,探讨不同性质下垫面对风沙流结构和风沙活动层风速廓线的影响,从而为野外工程防沙的优化设计及其应用提供理论依据。实验结果表明：戈壁地表风沙活动层主要集中在距地表20cm高度范围内;由于沙颗粒与戈壁地表的砾石发生碰撞．输沙率随高度的分布不再简单的遵循对数关系,其极值出现的高度随风速的增加而上移。由于草方格构成的下垫面复杂多变,其对风沙流结构与风沙活动层风速廓线的影响很难确定。但对于特定的下垫面,在不同风速下．同一高度层含沙量具有很大的相关性。     

偏西风作用下敦煌月牙泉金字塔沙山顶部风沙流初步观测研究

金字塔沙山丘体高大,形态复杂,坡面风沙动力过程实地观测困难,至今尚无坡面风沙流野外观测数据。通过新研制自动集沙仪,对偏西风作用下敦煌月牙泉北侧金字塔沙山顶部风沙流进行了实时观测,共观测8组近地表51.4 cm高度内输沙数据,各观测时段中2 m高度平均风速7.46～14.15 m·s^-1,各组观测时长18~95 min。结果表明：偏西风纵向气流作用下金字塔沙山风沙流结构与平坦地表一致,即输沙量随高度增加呈单一的指数规律递减,且风沙流主要在近地表30 cm高度内输移。风沙流结构特征值λ以大于1为主,且随风速增大而增大,表明金字塔沙山坡面过程主要表现为风蚀过程。偏西风作用下金字塔沙山风沙流中沙粒以细沙为主,平均粒径随高度增加而减小;沙山迎风坡沙粒从坡脚到沙脊线逐渐粗化,风蚀作用增强,细沙从而随风沙流搬运至沙山顶,对金字塔沙山多以细沙为主的格局形成起重要作用。     

兰新高铁烟墩风区戈壁近地表风沙流跃移质垂直分布特性

跃移质作为风沙流的主体,其近地表垂直分布规律是风沙物理学的重要研究内容,对防沙工程具有重要的指导意义。受研究条件与观测仪器限制,戈壁特别是极端大风区近地表风沙流结构特性研究较为薄弱。利用多梯度风蚀传感器与阶梯式集沙仪对兰新高铁烟墩风区戈壁近地表风沙流跃移质的垂直分布特性进行了观测研究。结果表明：兰新高铁烟墩风区戈壁沙粒发生跃移运动的2 m高临界风速达12 m·s^-1;戈壁近地表风沙流具有明显的阵性特征,沙粒跃移发生的时间比例在50%以下,与平均风速成正相关关系,与风速脉动强度无显著相关关系;2 m高阵风7级风速下,戈壁跃移沙粒主要集中于地表50 cm范围内,近地表风沙流结构呈"象鼻效应",跃移质最大质量通量出现在地表2.5~5 cm高度处,沙粒最大跃移高度可达2 m,且沙粒跃移高度随2 m高风速的增加呈指数规律递增。因此,兰新高铁烟墩风区2 m高阻沙栅栏不足以完全阻截戈壁风沙流,是造成烟墩风区兰新高铁轨道积沙的重要原因之一。     

考虑沙粒带电情形下的单宽输沙率经验公式

 单宽输沙率是风沙流研究的一个重要参数。基于考虑跃移运动沙粒带电的风沙流演化过程理论模型,对单宽输沙率进行了大量详细的数值模拟,在此基础上,拟合得到一个便于实际应用的单宽输沙率经验公式。该公式包含来流风速、沙粒粒径和平均荷质比等影响风沙流演化过程的重要可测参数。与已有模型相比较发现,通过对公式中参数沙粒荷质比赋予（-160 μc·kg-1, 0 μc·kg-1）范围内的值,预测的输沙率与现有许多输沙率预测公式的预测结果都能符合,意味着静电作用可能是导致众多输沙率公式预测结果不统一的原因之一。     

VERTICAL DISTRIBUTION OF WIND-BLOWN SAND FLUX IN THE SURFACE LAYER,TAKLAMAKAN DESERT,CENTRAL ASIA

The vertical distribution of the wind-blown sand flux in a 40-cm flow layer above the ground surface was investigated through laboratory wind-tunnel tests and field measurements on the mobile dune surface during sand storms in the Taklamakan Desert of China. Results show that vertical distribution of the horizontal mass flux of drifting sand is a discontinuous function of height. More than 90% of the total material is transported in the flow layer from the surface to 14 cm. From 2 to 4 cm above the surface, a distinct transition zone occurs wherein mixed transport by creep, saltation, and suspension becomes saltation and suspension. The flow layer from 14 to 15 cm represents a further transition from saltation to suspension, where the distribution curves of the transport rate against height converge. The basic natural exponential function cannot describe well the vertical distribution of the saltation mass flux in the Taklamakan Desert. As a function of height, saltation mass flux follows a function q_salt = a'Z^-bZ, and the distribution of suspension mass flux fits the power function very well. A total transport rate from surface creep to saltation and suspension in the measured flow layer, which is directly proportional to the effective wind speed squared (V - V_t)², can be predicted by integrating Q = a'Z^-bZ + cZ^-d. The height distribution of the average quantities of transported materials varies as an exponential function of wind speed, and deceases with the increase in total transport quantity. Higher wind speed results in a higher transport rate and a higher vertical gradient for the particle concentration. The increment of relative transport quantity in the higher flux layer increases as wind speed increases, which generates a higher concentration of drifting particles in the upper flow layer. [Key words: aeolian geomorphology, aeolian transport, horizontal sand flux, sand dune, vertical sediment distribution, Taklamakan Desert.]     

塔克拉玛干沙漠南缘风沙跃移运动研究——以策勒为例

 利用Sensit传感器、BSNE集沙仪、全方位跃移集沙仪结合2 m气象塔,于2010年7月5日至8月24日在策勒绿洲-荒漠过渡带开展了风沙跃移运动强化观测试验,分析了该区域风沙跃移运动的部分特征。结果表明:①试验点2 m高度临界跃移起动1 h平均风速为5.0 m·s-1;跃移颗粒数与风速呈现较好的幂函数关系;②跃移输沙量的方向分布以偏西方向为主,主要集中在SW、WSW、W、WNW、NW5个方位,共计占到80.9%;③跃移运动在一日之内的任何时间段都可能发生,发生频率较高的时段集中在白天的11:00—19:00;④观测期间0～40 cm高度范围的跃移输沙通量为199.4 kg·m-1。     

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。     

二维沙丘迎风坡沙粒跃移运动的数值模拟

为了研究沙丘迎风坡面上沙粒的跃移运动,本文根据风工程和空气动力学的最新理论,给出了沙丘迎风坡面上风场的空间分布规律,在此基础上对沙粒跃移运动进行了数值计算。由于沙丘周围流场情况较为复杂,各处的风速廓线也不同,故选取不同的坡面位置进行跃移计算,其中各处的起沙率由已有的实验结果或拟合公式给出。计算结果表明：从坡脚到坡顶,平均风速加速比和摩阻风速逐渐增加,到沙丘顶部达到最大值;同时沿坡面向上,各截面处单宽输沙率和距离当地地面相同高度处输沙浓度逐渐加强,这与已有文献报道的结果吻合良好。     

Wind tunnel experimental investigation of sand velocity in aeolian sand transport

Sand velocity in aeolian sand transport was measured using the laser Doppler technique of PDPA (Phase Doppler Particle Analyzer) in a wind tunnel. The sand velocity profile, probability distribution of particle velocity, particle velocity fluctuation and particle turbulence were analyzed in detail. The experimental results verified that the sand horizontal velocity profile can be expressed by a logarithmic function above 0.01 m, while a deviation occurs below 0.01 m. The mean vertical velocity of grains generally ranges from − 0.2 m/s to 0.2 m/s, and is downward at the lower height, upward at the higher height. The probability distributions of the horizontal velocity of ascending and descending particles have a typical peak and are right-skewed at a height of 4 mm in the lower part of saltation layer. The vertical profile of the horizontal RMS velocity fluctuation of particles shows a single peak. The horizontal RMS velocity fluctuation of sand particles is generally larger than the vertical RMS velocity fluctuation. The RMS velocity fluctuations of grains in both horizontal and vertical directions increase with wind velocity. The particle turbulence intensity decreases with height. The present investigation is helpful in understanding the sand movement mechanism in windblown sand transport and also provides a reference for the study of blowing sand velocity.     

风沙二相流运动特点的分析

本文以平坦沙漠上定常，充分发展的风沙二相流为例分析了颗粒的跃移运动，在这种运动中颗粒吸收气流的机械能和水平动量向下输送，并在落地时传递给床面。本文还用拟流体观点分析了固相运动的特点：在床面上有较大的滑移速度，有较大的垂向速度脉动，例题垂向的平均速度却为零，等等。