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。     

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。     

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。     

稳态风沙流中沙粒体积浓度的模型分析

本文建立了一个简单有效的稳态风沙流中沙粒体积浓度的数学模型,包括3个部分:稳态风沙流的风速廓线描述、跃移沙粒轨迹的计算、床面沙粒起跳速度分布的描述。利用已知实验的风速廓线作为气流速度场输入参数,跃移沙粒轨迹的计算主要考虑重力和拖曳力,基于体积观点的床面起跳沙粒的水平速度和垂直速度概率密度分布函数分别采用正态分布和指数分布函数来描述。根据稳态风沙流中运动沙粒的动态平衡特征可推导计算沙粒体积浓度。计算的沙粒体积浓度与风洞实验结果基本一致,说明本模型有较好的预测能力。     

风沙流中跃移沙粒冲击速度和角度联合概率分布风洞实验

近地表跃移沙粒速度和角度概率分布是连接风沙运动宏观研究和微观研究的桥梁，对沙粒跃移轨迹和输沙率分布有很大影响。但是，目前跃移沙粒冲击速度概率分布和角度概率分布之间的关系还不明确。使用相位多普勒粒子分析仪（PDPA）测量了风洞沙床面1 mm高度处的跃移沙粒速度，通过分析各冲击速度对应的冲击角度的概率分布研究了沙粒冲击速度和角度的联合概率分布。结果表明：沙粒冲击速度概率分布可用对数正态函数描述，冲击角度概率分布可用指数函数描述；各冲击速度对应的冲击角度都符合指数函数分布，且其衰减速度随冲击速度增加而加快。这表明，冲击速度概率分布和冲击角度概率分布之间具有很强的相关性。最后分别给出了沙粒冲击速度和角度的独立假设概率分布和条件联合概率分布。     

海岸风沙流中不同粒径组沙粒的垂向分布模式

通过对河北昌黎黄金海岸沙丘风沙流的野外实地观测与室内风洞模拟实验数据的数值模拟,探讨了我国典型海岸沙丘风沙流中不同粒径组沙粒输沙量的垂向分布模式。结果表明,河北昌黎黄金海岸沙丘表面风沙流中不同粒径组沙粒输沙量的垂向分布特征并不一致,其中细沙和中沙符合典型的指数递减分布规律,但粗沙则为负幂函数分布。究其原因,主要与不同粒径组沙粒输沙量的分布高度及运动方式差异有关。在实际非均匀沙床面上,粗沙主要集中分布于沙丘表面4cm高度内湍流发育的近地表层,运动方式以蠕移为主,沙丘表面湍流的主导作用使其输沙量随高度的变化满足负幂律关系,但中沙和细沙则以跃移运动为主,跃移沙粒输沙量的垂向分布呈现指数递减特征。     

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。     

脉动风场下风沙流结构的数值模拟

 基于野外观测实验和Langevin方程对风场脉动的描述, 研究了脉动风场下沙粒的跃移运动以及风沙流结构特征。结果表明,脉动风场对沙粒的跃移运动有着显著的影响,沙粒粒径越小,脉动风场对跃移运动轨迹的影响越大;考虑风场脉动时给出的风沙流结构具有明显的分层特征,并与实验测量结果吻合得更好。     

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。     

呼伦贝尔沙地风蚀坑粒度特征及其环境意义

对呼伦贝尔沙地现代风蚀坑表层沙质沉积物与坑后沙丘垂直剖面沉积物进行了粒度分析,讨论了坑后沙丘剖面的形成过程及风成沙粒度变化的原因。结果表明：呼伦贝尔沙地风蚀坑表面及坑后沙丘剖面沉积物粒径以细沙和中沙为主;风蚀坑表面沉积物粒径及分选参数在风蚀坑各部位呈现波动式变化;平坦草地上的现代土壤与坑后沙丘下伏古土壤为同一层。基于粒度和沙丘移动过程综合分析,认为坑后沙丘剖面中风成沙粒度的垂向变化与沙丘在堆积和移动过程中剖面在坑后沙丘相对位置的变化具有紧密联系,密集采样得出的剖面中风成沙粒度的垂向变化是否能直接指示区域气候环境变化值得商榷。     

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.     

基于起跳初速度分布的沙颗粒浓度廓线的数值模拟

跃移层内沙颗粒浓度分布是风沙两相流相互作用的结果,准确的沙颗粒浓度分布有助于弄清风沙互馈机制及沙颗粒间相互作用机制。由于沙颗粒浓度分布与沙颗粒起跳初速度分布以及气流运动密切相关,本文基于特定的沙颗粒起跳初速度分布函数,通过构建的沙颗粒在气流中运动的物理模型,并利用四阶精度的Adams-Bashforth-Moulton方法对所构建运动模型进行求解,统计分析稳定状态下两相流中沙颗粒运动轨迹的分布,分析其浓度廓线的垂向分布规律。计算结果表明跃移层内沙颗粒浓度分布廓线与高程呈负指数或伽马分布关系;高度一定时沙颗粒浓度廓线随摩阻风速的增大而减小,随颗粒直径的增大而增大。     

野外近地表风沙流脉动特征分析

基于风沙流实时测量系统对流沙地表的输沙强度以及不同高度风速进行实时测量所获得的数据,分析野外实际风场中的风沙流脉动特征。结果表明:沙粒的存在削弱平均流场,但对风速的高阶统计矩和分布形式影响不大,不同高度、不同来流平均风速条件下,风沙流中风速仍近似符合高斯分布;瞬时输沙强度服从指数分布,滞后风速约1 s,脉动强烈;30 min输沙强度平均值和脉动标准差均随平均风速的增大而呈幂函数增加,但随风速脉动强度的变化呈先增大后减小的趋势。这意味着脉动风速对输沙率具有重要影响,需要在输沙率预测公式中予以考虑。     

库布齐沙漠HDPE网和植物纤维网沙障防沙试验效应

在库布齐沙漠流动沙丘区建立HDPE网和植物纤维网工程沙障试验区,采用MetOne 014A/024A型8通道风速仪、8方位集沙仪、风蚀插钎,观测试验沙障影响下的风速、输沙量和地表侵蚀堆积,对比分析不同规格HDPE网、植物纤维网方格沙障和HDPE网前沿高立式阻沙沙障的防风固沙效应。结果表明：（1）一定孔隙度（50%）的方格沙障中心风速垂直变化幅度与变化规律,仅与沙障平面规格和高度（h）密切相关,与试验材料基本无关。相同平面规格的方格沙障,高度（h）大者降风效应显著;相同高度的方格沙障,小规格降风效应较为显著;（2）试验沙障及其防沙体系对风沙流输沙产生明显影响,相近地貌部位,5.0m×5.0m（h=100cm）植物纤维网方格中心输沙量远小于1.0m×1.0m（h=20cm）HDPE网方格和流动沙丘区,大规格高立式沙障固沙效应优于小规格低立式沙障;（3）试验沙障的地表侵蚀堆积状态仅与沙障规格有关,沙障材料的影响不明显。     

栅栏绕流减速效应风洞实验模拟

为研究阻沙栅栏的空气动力学效应,利用PIV技术对栅栏绕流的速度场进行了风洞实验模拟,并对其减速效应加以分析评价。结果表明,疏透度对栅栏绕流的平均速度场分布影响比较明显,疏透度越小栅栏后的平均水平风速衰减得越快;栅栏绕流的垂直速度分量在栅栏顶部最大,并随疏透度的增大而减小,影响了栅栏周围沙粒的跃移传输及沉积特征;栅栏后的累计减速率可以用高斯峰值函数来拟合,随疏透度的增大呈先增大后减小的趋势,疏透度η=0.2时累计减速率最大,代表了栅栏减速的理论最佳疏透度。     

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。     

风沙流输沙通量垂向分布研究 ——以塔克拉玛干沙漠南缘流沙地表风沙流观测为例

 于2010年4—6月在塔克拉玛干沙漠南缘策勒绿洲外缘流沙地进行风速、风向和输沙量同步观测,利用观测到的28组数据对输沙通量的垂向分布进行研究。结果表明,在4.5～8 m·s-1的风速区间内,总输沙率随风速增长速率较慢,大于8  m·s-1时增长迅速。在较小风速时,4个高度层(1 cm、3 cm、9 cm和19 cm)的输沙比率变化不明显,当风速大于6.6 m·s-1时,1 cm和19 cm高度输沙比率的调整较为明显,前者减小而后者增加,中间两层(3 cm、9 cm)则维持一定波动。不同的蚀积条件对于输沙通量的垂向分布具有一定的影响,平均跃移高度则在一定程度上反映了地表沙粒的吹蚀和堆积过程。在4种常见的描述输沙通量垂向分布的模型中,Zingg的修正幂函数具有最好的拟合程度,但反映的风沙流信息最少,简单幂函数的参数包涵了最为丰富的风沙流信息但拟合程度最差,指数函数同时具有较好的拟合程度和参数意义,Fryrear的幂函数则与指数函数恰恰相反。在沙物质以极细沙为主的塔克拉玛干沙漠南缘,指数函数较之简单幂函数能更好地描述该区域输沙通量的垂向分布,验证并补充了风洞实验的结果。综合比较认为,指数函数能更好地描述塔克拉玛干沙漠南缘输沙通量的垂向分布。     

Velocity profile of a sand cloud blowing over a gravel surface

Particle dynamic analyzer (PDA) measurement technology was used to study the turbulent characteristics and the variation with height of the mean horizontal (in the downwind direction) and vertical (in the upward direction) particle velocity of a sand cloud blowing over a gravel surface. The results show that the mean horizontal particle velocity of the cloud increases with height, while the mean vertical velocity decreases with height. The variation of the mean horizontal velocity with height is, to some extent, similar to the wind profile that increases logarithmically with height in the turbulent boundary layer. The variation of the mean vertical velocity with height is much more complex than that of the mean horizontal velocity. The increase of the resultant mean velocity with height can be expressed by a modified power function. Particle turbulence in the downwind direction decreases with height, while that in the vertical direction is complex. For fine sands (0.2–0.3 mm and 0.3–0.4 mm), there is a tendency for the particle turbulence to increase with height. In the very near-surface layer (<4 mm), the movement of blown sand particles is very complex due to the rebound of particles on the bed and the interparticle collisions in the air. Wind starts to accelerate particle movement about 4 mm from the surface. The initial rebound on the bed and the interparticle collisions in the air have a profound effect on particle movement below that height, where particle concentration is very high and wind velocity is very low.     

Experimental investigation of the concentration profile of a blowing sand cloud

Detailed wind tunnel tests were carried out to establish the mean downwind velocity and transport rate of different-sized loose dry sand at different free-stream wind velocities and heights, as well as to investigate the vertical variation in the concentration of blowing sand in a cloud. Particle dynamic analyzer (PDA) technology was used to measure the vertical variation in mean downwind velocity of a sand cloud in a wind tunnel. The results reveal that within the near-surface layer, the decay of blown sand flux with height can be expressed using an exponential function. In general, the mean downwind velocity increases with height and free-stream wind velocity, but decreases with grain size. The vertical variation in mean downwind velocity can be expressed by a power function. The concentration profile of sand within the saltation layer, calculated according to its flux profile and mean downwind profile, can be expressed using the exponential function: c_z=ae^−bz, where c_z is the blown sand concentration at height z, and a and bare parameters changing regularly with wind velocity and sand size. The concentration profiles are converted to rays of straight lines by plotting logarithmic concentration values against height. The slope of the straight lines, representing the relative decay rate of concentration with height, decreases with an increase in free-stream wind velocity and grain size, implying that more blown sand is transported to greater heights as grain size and wind speed increase.     

新月形沙丘表面100cm高度内风沙流输沙量垂直分布函数分段拟合

为研究新月形沙丘表面不同层位风沙流输沙量的垂直分布函数,实测了塔克拉玛干沙漠腹地典型新月形沙丘表面100 cm高度内(以1 cm分隔)的输沙量。分段拟合分析表明:新月形沙丘迎风坡脚输沙量垂直分布规律不完全服从指数函数,出现与戈壁风沙流结构特征相似的"象鼻效应",在0~3 cm区间内输沙量逐渐增大,3cm以上输沙量随高度呈指数函数衰减;沙丘顶部0~10 cm区间输沙量随高度呈指数函数衰减,10 cm以上呈二次函数衰减;沙丘左翼端输沙量随高度呈幂函数分布,沙丘右翼端0~20 cm内以指数函数衰减,20 cm以上呈三次函数衰减;沙丘背风坡脚风沙流输沙量在0~60 cm和60 cm以上分别呈不同形式的三次函数分布。