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。     

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。     

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。     

风成沙纹形成的风洞模拟研究

风成沙纹形成于沙质床面下游的沙粒蠕移,发展于沙粒跃移－风沙流的“波粒二重性”作用,消亡于气流与风沙流的正弦波共振。以细沙和极细沙为优势粒级的天然沙丘沙是风成沙纹形成的最佳粒配。沙纹移动速度ＶＲ是缓慢的,其数量级为１０－１ｃｍ·ｍｉｎ－１～１０１ｃｍ·ｍｉｎ－１,实验关系式为：ＶＲ＝１．５８×（ＶＬ－５．５）０．６７。     

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。     

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。     

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。     

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。     

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。     

影响拜格诺结的若干因素分析

给出了全面描述风沙耦合作用下沙粒跃移运动的理论模型,利用数值方法对风沙耦合作用以及空气上升力、Magnus力、静电力等因素对沙粒跃移运动和风速廓线的影响进行了研究,从而揭示出拜格诺结(Bagnold's Kink)高度与其对应的风速及沙粒跃移高度的关系。     

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。     

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。     

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。     

An analytic expression for wind-velocity profile within the saltation layer

The vertical wind-velocity profile within the saltation layer is investigated theoretically. New equations for the fluid shear stress distribution in the saltation layer and the velocity profile affected by saltation are derived. The dependence of the velocity profile on the threshold shear velocity, the vertical variations of sand grain velocity, the vertical sand-mass-flux distribution, and the fluid shear stress within the saltation are demonstrated. Velocity profiles with or without Bagnold's focus are predicted. These velocity profiles are not very sensitive to the vertical distribution of sand-mass flux. Predicted velocity profiles are compared with profiles measured in the wind tunnel, and satisfactory agreement has been achieved.     

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。     

沙粒起跳自旋的分析

运用碰撞理论建立了一个一对一的二维碰撞模型。从单个沙粒的碰撞入手,考虑边界条件的影响,计算了接触角对沙粒自旋的影响,并就松床、紧床两种情况下沙粒的自旋速度和观测结果进行了比较,得到了较好的吻合结果;然后借助概率论的知识,计算了风沙流中沙粒起跳时角速度的概率分布,并和观测结果进行了对比,发现研究结果在量级上和已有的工作是一致的,从而从理论上确定了起跃沙粒自旋速度的存在及其大小和概率分布。     

海岸湿沙表面风沙传输特征的风洞实验研究

通过湿沙表面风沙传输的风洞实验,研究了湿润海岸风沙流的垂直结构、输沙率随风速与表层湿度的变化规律。输沙测量使用60 cm高直立式积沙仪,湿度（M）为沙面表层1 mm厚的重量湿度值。结果表明,湿沙表面的输沙量和高度呈指数关系。一般,湿度增大,整体输沙率降低,高湿度床面的沙粒有相对更大的比例被传输到更高的位置。比起低湿度（M＜0.587%）沙粒,高湿度（0.587%＜M＜1.448%）沙粒的垂直运动对湿度变化的影响更加敏感,尤其是在跃移层的底部,当M＞1.448%时,输沙率已经很低,小于0.99 g·cm-1·s-1。伴随湿度0.587%和1.448%的过渡,风沙流垂向分布被分为3个不同坡度的区域,曲线坡度反映了沙粒间不同水分存在形式的影响差异。对于跃移沙粒,高湿度表面（M＞1.448%）仅起到了一个传输平台的作用;当表面变干到某种程度（M=0.587%）之前,表面湿度是跃移运动的主要控制因子,然后风速才重新开始影响输沙。     

乌兰布和沙漠不同下垫面冬季沙尘通量

为揭示乌兰布和沙漠不同下垫面冬季沙尘通量的垂直分布,在野外实地监测的基础上对乌兰布和沙漠3种下垫面冬季输沙量进行测量分析。结果表明：近地表0～100 cm高度内冬季输沙量流动沙丘 > 梭梭固定沙丘 > 白刺半固定沙丘。各下垫面输沙量随高度呈下降趋势,流动沙丘、白刺半固定沙丘、梭梭固定沙丘符合幂函数分布,流动沙丘、梭梭固定沙丘输沙量集中于0～20 cm高度,白刺半固定沙丘集中于0～40 cm高度。风沙流幂函数通量系数a、b与粒径< 0.1 mm和粒径 >0.5 mm颗粒含量负相关,与粒径0.1～0.25 mm颗粒含量正相关,与粒径0.25～0.5 mm颗粒含量不相关。沙粒跃移高度在流动沙丘、白刺半固定沙丘和梭梭固定沙丘分别集中于0～3.59、0～4.33和0～2.36 cm;跃移高度与粒径<0.05 mm和0.1～0.5 mm颗粒含量正相关,尤其与粒径0.1～0.25 mm颗粒含量呈指数函数正相关,与粒径0.05～0.1 mm及>0.5 mm颗粒含量无明显相关性。乌兰布和沙漠流动沙丘在冬季仍具有较大的侵蚀状态,白刺半固定沙丘处于弱风蚀状态,梭梭固定沙丘处于堆积状态,造成地表积沙。在冬季,梭梭固定沙丘仍然发挥着防风固沙的能力,成为冬季固定风沙的重要防线。