风沙流中沙粒起跳初速度分布的探讨

风沙流结构中起跃沙粒的初速度分布,是连接微观研究和宏观研究的桥梁。笔者分析了已有的实验数据,就沙质地表起跃沙粒的速度分布、角度分布进行了计算;并运用碰撞理论建立了一个二维碰撞模型。考虑边界条件的影响,运用概率论统计的思想计算了风沙流结构中起跃沙粒初速度的概率分布,并和实验值进行了对比,得到了较好的结果,对风沙流中起跃沙粒的速度分布有了一个定性的认识。     

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。     

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。     

高速影像中风沙颗粒灰度和表观粒径的变化特征及对多假设追踪算法的意义

沙粒轨迹形成过程是理解风沙两相流输运力学机制的关键问题。多假设追踪算法通过融合追踪目标的多个信息特征和建立后验概率控制的动态递归算法来实现对目标的准确追踪，其精度可能优于传统的基于位置信息的轨迹追踪算法。基于多假设追踪算法的需要，以沙粒灰度和表观粒径（沙粒在影像上显现的大小）为对象，通过分析沙粒在轨迹形成过程中灰度和表观粒径的辨识度及稳定性来揭示它们作为多假设轨迹算法的特征参数的可能性和可靠性。结果表明：沙粒灰阶25~255，具有多峰分布的特征，表明不同沙粒灰度具有很好的区分度；80%~85%的沙粒在入射、反弹过程及粒-床碰撞后，灰度差在1倍标准偏差之内，表明大多数沙粒的灰度具有相对的稳定性；沙粒的表观粒径分布于77~1 001 μm，表明表观粒径具有较好的区分度；97%~100%的沙粒在入射、反弹过程中、77%的沙粒在粒-床碰撞后，表观粒径差均是稳定的（77~154 μm）；仅有15%~23%的沙粒发生了显著的侧向运动或自旋，表明多数沙粒的灰度和表观粒径的稳定性不受侧向运动或自旋的影响；灰度和表观粒径可以作为多假设追踪算法的重要辨识参数。     

碰撞激起沙粒的起跳初速度分布函数

本文根据已有粒/床碰撞研究得出的基本定性结论以及组合论的基本原理,给出了风沙流中碰撞激起沙粒的起跳初速度分布函数,该函数服从瑞利分布的形式。以这一起跳初速度分布函数为基础建立风沙耦合跃移运动的基本模型,计算了单宽输沙率等风沙运动机理研究中普遍关心的物理量。将计算结果和已有实验结果对比分析表明,本文给出的起跳初速度分布函数是科学的,这对风沙流中沙粒起跳初速度分布函数给出了一个定性的认识。     

沙粒起动风速的影响因素研究

通过对风场中沙床表面沙粒的受力分析,建立了坡面沙粒起动风速的理论公式,并将计算结果与已有实验研究结果进行了比较,结果表明,给出的理论计算公式是正确的。在此基础上,详细讨论了坡角、风向角、荷质比、电场力以及空气上升力对坡面沙粒起动风速的影响。其结果是：坡角一定时,沙粒的起动风速随风向角的增大而增大;风向一定时,背风坡沙粒的起动风速随坡角的增大而变小;弱电场中电场力对沙粒起动风速几乎没有影响,强电场中随着沙粒荷质比的增大,起动风速明显减小;空气上升力明显使沙粒起动风速减小。     

风沙运动中MAGNUS效应的数值研究

在风沙运动中,跃移沙粒一般都会伴随高速旋转,同时引起一种升力效应,即Magnus效应。采用数值模拟的方法计算了0.1Re400,转速ω为100~1000 rev.s-1范围时均匀来流中单个球形沙粒受到的Magnus力,并与Rubinow和Keller推导的Magnus力公式进行了比较。计算结果表明,在0.1Re200范围内,升力和沙粒的旋转速度成正比,随雷诺数的增大而减小。同时,Magnus效应和固定沙粒在均匀来流中的流动结构也有关系,即计算结果和Magnus力公式的升力系数比K在沙粒流动是附体的时随Re数增加逐渐减小,在Re=20~30时达到最小值,然后在沙粒流动是对称分离的时K随着Re数增加逐渐增大。当雷诺数继续增大到超过200时,沙粒本身流动状态非对称所引起的升力超过Magnus效应产生的升力,但Magnus效应的作用也不可以忽略。根据计算结果,对Magnus力公式进行了修正。另外,还发现流场速度梯度与Magnus效应并没有耦合作用,速度梯度对升力的影响可以和Magnus效应线性叠加。     

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。     

几种常用风沙颗粒测速方法对比

沙粒运动速度是风沙颗粒运动学和风沙流（一种特殊的气固两相流）研究中的一个重要参数,受到风沙物理学研究者们的长期关注。风沙颗粒运动速度研究遇到的关键问题是测量方面的困难,目前已经尝试应用了多种测量技术。对几种常用测试手段——光电管测速计、高速摄影、粒子动态分析仪（PDA）和粒子图像测速仪（PIV）的测量结果进行了对比分析。光电管测速计、高速摄影法、以及粒子动态分析仪在研究颗粒速度的分布方面比较有用,而粒子图像测速仪则是一种全场测速技术,是测量特定区域内平均速度场时空变化的有用工具。上述几种测试方法所得的结果既有相似之处,但也存在较大差别。根据这些测速手段所得到的沙粒速度的概率分布特征是相似的,但测量结果所反映的沙粒平均速度与风速、粒径以及其他可能影响因子间的关系存在明显差异。目前的测量技术均不能直接测量贴近层或沙床表面的沙粒速度,而这些数据在研究地表颗粒的起动机制时是相当重要的。虽然用不同的测量技术所得出的沙粒平均速度随高度的变化关系均为幂函数,但这些幂函数的估算结果差别很大。基于对比分析,我们认为,各种测速技术均有其独特的测量原理,各有其优劣,但对其测量结果的可靠性尚无定论。所以,为了充分运用不同的测速技术,需要做大量的工作对其进行验证标定,研发一种可靠的技术来测量风沙流中的沙粒速度仍然是目前风沙物理研究的重要任务。     

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。     

风沙流中颗粒跃移研究的某些进展与问题

风沙流研究是风沙物理学的主要内容,研究方法上大致分宏观和微观研究两个方面。宏观研究着眼于风沙流的整体结构和动力学过程,微观研究侧重于单一颗粒的运动状态。宏观和微观研究相结合是解决风沙物理学中一系列问题的一条合理路线。但长期以来,由于在颗粒运动机理研究方面进展缓慢且不成熟,对联系宏观和微观研究的纽带——起跳粒子的运动状态分布的重要性认识不够,造成风沙流宏观研究和微观研究的严重脱节。本文综述国内外在这两方面的研究历史和现状,指出了现存问题和解决途径,并对风沙物理学的发展方向提出了一些建议。     

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.     

风洞实验方法在沙漠学研究中的应用

风沙运动和防治风沙、风雪流工程等的模拟实验研究表明,风洞实验技术应用于沙漠学研究中,进行半定量、定量的测量,可以提高研究水平,更好地解决生产实践任务。     

沙坡头铁路防护体系阻沙效益风洞实验研究

利用野外风洞,对沙坡头铁路风沙防护体系各组成要素的阻沙率和流沙的输沙率进行了模拟实验研究.在同一风速下,分别测定了野外、风洞同一项目对应的风速梯度,确定了风洞实验数据与野外实测数据的转换系数,实现了数据转换.在此基础上,分析了防护体系各要素阻沙效益.以输沙率、阻沙率概念为基础,确立了风沙防护体系宽度计算公式.根据风洞实验转换数据,计算了不同风速下的防护宽度.研究结果对于我国荒漠区铁路、公路风沙防护体系的设计,具有一定的借鉴意义.     

2002年春季中国沙尘天气与物理量场的相关分析

通过对2002年春季中国沙尘暴、扬沙、浮尘天气的综合分析,给出了各沙尘区沙尘天气发生的频率。并分析了沙尘天气分别与850 hPa全风速、散度,500 hPa全风速、散度、涡度、总能量、垂直速度,不稳定度指数K_i、K_y和S_i,300~850 hPa两层之间的风切变等11个物理量场的相关性。结果表明:2002年春季沙尘天气,除了具有往年的阶段性特点外,还具有明显的区域特点,即南疆区浮尘较多;河套区扬沙较多;蒙古区沙尘暴较为明显。沙尘天气与各物理量场的相关分析进一步证实,风是影响沙尘天气发生的最主要的气象要素,它与浮尘的出现有一定关系,但不是决定因素;而扬沙和沙尘暴的发生,风确是先决条件。     

塔里木沙漠公路风沙危害分异规律的研究

从塔里木沙漠公路风沙危害的影响因素入手,分析了公路沙害水平分异和垂直分异的原因,并给出相应的分异规律。公路沙害的水平分异是在不同风沙地貌背景上不同的风力及组合综合作用的结果,同时受人为因素对防沙体系设置的影响;公路沙害的垂直分异通过不同地貌部位体现出来,它是由地形地貌对风动力、有效沙物质量、公路断面形式和防沙体系防护作用等因素的分异作用来实现的。     

跃移砂粒起跳的受力机制

根据作者拍摄的高速电影摄影实验发现, 沙粒起跳后垂直加速度均为负值, 亦即沙粒跳离地面后再无大于重力的、向上的外力作用于其上, 从而排除了八种起跳学说中的五种有关非接触力的起动学说, 即: 升力起动说、压差起动说、湍流起动说, 负压起动说和涡旋起动说。在余下的三种有关接触力的起动学说中, 作者估算后认为: 跃移起跳是斜面飞升与冲击碰撞相结合作用的结果。在凸凹不平的地面上滚动的沙粒只需很小的速度(厘米/秒量级)就可离地而去, 并从风中获取更多的能量。在地面上滚动或在空中飞行的沙粒, 以不同的角度冲击其它颗粒, 能以锐角和钝角反弹飞开。运动沙粒的动能只需有1/10转换为转动动能, 就可使沙粒获得数百以至上千转/秒的转速。     

银川市初夏气溶胶粒子谱分布特征

利用美制APS—3310A型激光粒谱仪，在中国西北城市银川对大气气溶胶粒子进行现场观测，结合气象条件，并通过理论计算分析，给出了银川市初夏大气气溶胶的日变化特征、3种不同粒径粒子分布特点及飘尘谱分布特征，以期为银川市大气污染总量控制方案及对策提供科学依据。