尼龙网方格沙障风沙流携沙粒度的空间分异特征

为了探究塔克拉玛干沙漠腹地尼龙网方格沙障对风沙流携沙粒度的空间分异作用,于2015年4-6月,选取裸沙地和尼龙网2种下垫面,利用方口集沙仪和全方位集沙仪分别收集风沙流中垂直高度层中2~100 cm和16个方位的输沙量,利用BT-2001激光粒度分布仪对沙样进行粒度组成分析。结果表明：沙粒的粒度频率曲线形态表现为单峰分布特征,与下垫面沙粒组成有关。在垂直方向上,沙粒的平均粒径在L1（裸沙地）、L2（沙障前部）处随着高度的增加沙粒平均粒径减小,L3（沙障中部）处平均粒径先增加后趋于稳定;风沙流进入沙障后,分选性变差,偏度增大,峰度减小;L1和L2处沙粒随平均粒径的减小,分选性变差、细尾越来越明显、沙粒粒径分布范围变窄,且L1处分选系数、峰度和偏度与沙粒平均粒径在双变量图上的变化率大于L2处。在水平方位上,沙粒的平均粒径在T1（裸沙地）-T2（沙障前部）-T3（沙障中部）的过程中先增后减,在T2处,分选性最好,偏度系数和峰度最小;3个观测点的粒度参数与平均粒径没有明显的相关关系。     

塔克拉玛干沙漠腹地沙粒胶结体的粒度特征

对塔克拉玛干沙漠腹地沙粒胶结体进行溶蚀分散获取组成沙粒,采用激光粒度仪分析粒度成分,并与区域内沙丘沙、垄间平地沙和风沙流输沙的粒度特征进行对比,分析沙粒胶结体的粒度特征。结果表明：（1）沙粒胶结体中沙粒粒径呈多峰态分布,垄间平地沙呈双峰态分布,而沙丘沙和风沙流输沙呈单峰态分布;（2）沙粒胶结体内沙粒分选性较差,偏度属正偏,平均粒径（3.17 Φ）介于沙丘沙（3.10 Φ）和垄间地沙（3.28 Φ）、风沙流输沙（3.67 Φ）之间;（3）沙粒胶结体中沙物质主要组分为细沙和极细沙,与沙丘沙、垄间平沙地沙一致,而与风沙流输沙（极细沙和粉沙）不一致。与沙丘沙、垄间平地沙以及风沙流输沙相比,沙粒胶结体中粉沙、黏土和中沙相对富集,是现代地表物质的混合物;（4）与沙丘沙、垄间平地沙和风沙流输沙相比,沙粒胶结体内沙粒的蠕移-跃移、跃移-悬移截点粒径均偏细,蠕移组分所占比重很高。从组成颗粒的粒度组成来看,沙粒胶结体的形成受局地沙源和风动力的共同影响,是特殊环境条件下现代地表过程的产物。     

流场中集沙仪集沙效率的数值模拟

 以管状集沙仪为例,数值模拟了它在风沙流结构中的流动特征以及集沙效率。为了使模拟更加符合真实情况,对计算区域的网格进行加密,计算了集沙仪周围的风场,并分析了网格划分对计算结果的影响。通过分析计算结果,讨论了不同薄膜渗透率对集沙仪周围风场流动特征的影响,以及不同渗透率下不同粒径沙粒的轨迹以及集沙效率。在模拟集沙效率时发现集沙仪薄膜的渗透率是影响集沙效率的一个重要参数,通过分析结果,发现选择集沙仪薄膜的时候应选择渗透率,这样随着沙粒粒径的变化,集沙效率变化趋于稳定。有两个影响集沙效率的重要因素:粒径和集沙仪进口处的流线。当颗粒粒径相对较大的时候,惯性起主要作用,对于粒径大于200 μm的沙粒来说,集沙效率几乎都在90%;当颗粒粒径相对较小的时候,流线起主要作用。     

风力作用下沙粒蠕移概率的转化特征

建立了沙粒从蠕移状态向静止、跳跃转化以及继续滚动的概率模型.根据滚动沙粒简化的运动方程,结合两个关键随机变量-沙床表面风速和床面位置参数,求出了静止概率、滚动概率、跳跃概率随时间变化的表达式.在此基础上通过对时间求极限得到稳定情况下沙粒处于三种运动状态的概率.利用沙粒蠕移概率除蠕移概率和跃移概率之和,得到沙粒相对蠕移概率,并以此反映蠕移输沙量占总输沙量的比例.计算结果表明,三种转移概率是时间、沙床表面风速和沙粒直径的函数.静止概率随时间增大而增大,但随粒径增大而减小;滚动概率随时间的变化根据粒径的不同表现出不同的特点.粒径较小,滚动概率随时间的增大先增大后减小,存在极大值;粒径较大时,滚动概率随时间的增大逐渐增大,不存在峰值.跳跃概率随时间的增大而增大.三种概率达到稳定状态所需要的时间随粒径的增大而减少.同粒径的沙粒在相同的时间内,三种转移概率会趋于定值.稳定概率和相对蠕移概率由沙床表面风速分布和粒径大小来确定,具有很大的取值范围;静止稳定概率和跳跃稳定概率随粒径的增大分别增大和减小;而滚动稳定概率随粒径的增大逐步先增大后减小.在一定风速条件下,相对蠕移概率随风速和方差的变化都不大,沙粒粒径是最主要的影响因素.     

沙粒起跃的动态模拟

沙粒起跃规律是风沙运动微观机理研究和宏观工程应用相联系的纽带,目前进展缓慢且不成熟。本文建立了简洁的沙粒碰撞模型,构造了单颗沙粒以11.5°的碰撞角高速撞击由9000个沙粒组成的沙床的计算机实验,以10^-6秒为时间步长精细模拟了被碰沙粒起跃的全过程,对起跃沙粒的空间分布、速度大小和方向以及入射沙粒速度的影响进行了细致研究,其中起跳速度大小符合指数分布,与已知观测结果符合较好。     

策勒绿洲—沙漠过渡带风沙流挟沙粒度的垂直分异

在策勒绿洲一沙漠过渡带选取流动沙地、半流动沙地两个典型下垫面,采集下垫面地表0~1 cm沙样,利用梯度集沙仪收集风风沙流中垂直高度层中1~20 cm的沙通量,利用mastersizer2000分析所收集沙样的粒度。结果表明研究区风沙流挟沙粒度的垂直分布特征为:沙粒平均粒径随高度增加而减小,风沙流中沙粒的平均粒径小于床面沙粒平均粒径。其中粉沙含量随着高度的增加,其相对含量呈现幂函数增加,极细沙和细沙含量随高度的增加呈幂函数规律递减。风沙流中平均粒径(φ)值在3.58~3.81;分选系数集中在0.46~0.55,分选性较好;偏度值变化范围为-0.006~0.1,峰度变化值在0.94~0.96。半流动沙地风沙流中平均粒径小于流动沙地,分选性较好。平均粒径(φ)与分选系数、峰度和偏度均呈正相关,分选系数与偏度、峰态间呈现正相关,峰态与偏态之间呈现正相关。研究区沙粒主要以细沙、极细沙和粉沙为主,分选性较好,沙粒粒径分布符合正态。流动沙地较半流动沙地风蚀程度大,地表沙粒粒径粗。策勒地区地表风沙来源主要为风成沙,沙粒运动方式以跃移质为主,悬移质次之。     

沙粒形状的不规则性及静电力对起动风速的影响

沙粒形状的不规则性使得沙粒的质心存在着偏心距,且沙粒所处位置的不同使其偏心角各异。笔者通过理论分析给出了起动风速与沙粒的粒径、偏心距、偏心角以及静电力之间的关系模型,并通过数值模拟研究了偏心距、偏心角以及静电力对起沙风速的影响。结果表明在风沙流形成的强电场中,沙粒偏心距为直径的0.05倍时与实验测量结果吻合得很好。     

塔克拉玛干沙漠中部地区两类半隐蔽格状沙障内部沉积粒度特征浅析

选取塔克拉玛干沙漠石油公路K286处尼龙网方格和塔中作业区气井附近水泥方格两种不同材料的半隐蔽格状沙障沙样进行粒度组成分析,分析内容包括平均粒径、标准偏差、偏度、峰度、平均粒径与标准偏差散点图和代表性样品累积概率曲线图。结果表明,尼龙网方格中心沉积颗粒未必最细,水泥方格中心部位沉积颗粒最细,其原因与方格内的流场有关。散点图显示,水泥方格中心处沉积粒度区间与方格其他位置差别最大。累积概率曲线表明,跃移组分与蠕移组分之间的截点差别最大,即动力作用复杂,同时说明风力对粗沙粒沉积过程作用不明显;悬移组分与跃移组分之间截点在不同位置差别最小,表明在一定粒径范围内的粒径大小对动力作用的响应是非常明显的。     

非均匀沙的跃移计算

 为研究更加接近实际情况的风沙运动,并为实验研究提供一些理论分析和数值资料,本研究用数值计算的方法模拟了几种不同粒径分布方式相应的风沙跃移运动。分别计算了沙粒为单一粒径,以及粒径数学期望为该值时的伪随机分布和均匀分布共7种情况下的风沙跃移运动。计算结果表明,对于相同风速,气流对单一粒径组成的均匀沙的携带能力较弱,而对由多粒径组成的非均匀沙的携带能力较强。同时,因沙粒粒径组成的改变导致当跃移运动达到饱和时,风沙流饱和层的高度和沙粒的跃移长度、高度均有所变化。     

新疆策勒绿洲-沙漠过渡带地表沙物质理化性质空间差异

植被盖度、地形等会对荒漠区风沙土壤理化性质产生影响.对策勒自流沙前沿沿主风向到绿洲边缘的柽柳沙堆顶部、流动沙丘顶部、裸露平沙地3种地貌部位表面沙物质理化性质分析,结果表明:流动沙丘顶部沙物质平均粒径3.47～2.6 Φ,明显粗于裸露平沙地和柽柳沙堆顶部沙粒,从流沙前沿到绿洲边缘沙物质有细化趋势,流沙前沿平沙地上沙粒平均粒径比绿洲边缘裸露平沙地沙粒平均粒径粗0.44 Φ;在空间上沙物质分选系数差异不大,分选性都为中等偏上-中等;平沙地和流动沙丘顶部沙粒偏度为-0.06～0.06,相对于平均值分布近对称.柽柳沙堆顶部沙粒偏度分布在0.05～0.25,大都属于极细偏;流动沙丘顶部和平沙地沙粒都表现为中等峰态,柽柳沙堆顶部沙粒大多表现为窄峰态.柽柳沙堆顶部大部分沙物质pH为酸性,其余地貌部位沙粒都表现为碱性,3种地貌单元含盐量与地形高低关系较密切.不同地貌部位地表沙物质总盐量表现为:柽柳沙堆顶部 > 裸露平沙地 > 流动沙丘顶部,流动沙丘顶部沙粒含盐量最少,越靠近绿洲柽柳沙堆顶部沙粒总盐量愈高.     

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。     

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。     

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。     

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。     

风沙环境中公路风沙灾害的数值模拟

为揭示沙漠公路两侧风沙流场的空间分布特性，采用欧拉-拉格朗日方法，把气流作为连续介质，把沙粒作为离散体系，利用ANSYS标准k-ε湍流模型和DPM离散相模型，模拟了不同沙粒粒径（150、200、250、300、350 μm）、不同摩阻风速（0.20、0.35、0.50、0.65、0.80 m·s^-1）、不同挡风墙高度（1.0、1.5、2.0、2.5、3.0 m）以及不同挡风墙开孔情况下的公路路基附近的沙粒跃移运动，统计了挡风墙前后的沙粒数目，给出了公路路基坡脚和坡顶等典型断面上的气流速度廓线。结果表明：气流通过挡风墙顶部时受压加速，有利于沙粒的输送，而在挡风墙前部气流遇阻减速，形成沙粒堆积。随着沙粒粒径的变大，沙粒跃过挡风墙的能力逐渐变低；随着摩阻风速的变大，气流输运能力增强，更多沙粒越过挡风墙；随着挡风墙高度的增加，阻挡沙粒数亦逐渐增多；挡风墙开孔的位置和大小亦影响着沙粒的运动。这表明离散相模型对复杂下垫面风沙跃移运动的计算具有良好的效果。     

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。     

敦煌月牙泉景区沙丘粒度特征

对月牙泉外围沙山表面沉积物进行系统采样,结合区域风况,分析了沙山典型部位的粒度分布及其参数特征。月牙泉北侧金字塔沙丘沙粒较粗,分选性较差,正偏趋势显著;月牙泉南侧线形沙丘以细沙为主,分选性较好,分布属正偏态。北侧金字塔沙丘从西南和西北两个坡面到东侧坡面,粗颗粒减少、分选性变好,但趋势不明显,说明金字塔沙丘未发生明显移动;而南侧线形沙丘自南侧坡面向北侧坡面沙粒粒径变小、分选变好,较细的沙粒被搬运并沉积北侧坡面,搬运作用十分明显,即线形沙丘向月牙泉方向发生明显移动。通过粒度分析风沙动力环境表明,月牙泉风沙危害主要来自南侧沙山北移。     

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。     

风沙运动理论体系的创建与研究

确定风、沙源、风沙流、下垫面和沙地地表形态是构成风沙运动体系的5个基本要素。确定风速的强弱、沙粒的走停、气流含沙量的盈亏、下垫面的扬抑作用和沙地地表的蚀积变化是这些基本要素各自参与风沙运动的主要表现特征。这些表现特征都能一分为二, 于是10个对立侧面的相互作用构成了风沙运动发展变化的总体。系统地研究这些侧面的组合关系、揭示它们相互促进相互制约的演变机理, 进而依其内在联系进行排序, 将其串联成一体, 并绘出图式, 这样便形成了名之曰"强、弱、扬、抑、走、停、盈、亏、蚀、积十纲辩证"的风沙运动理论体系。其中"强、弱、走、停、盈、亏、蚀、积八纲辩证"是本理论体系的核心。