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。     

不同沙源供给条件下砾石床面的风沙流结构与蚀积量变化风洞实验研究

通过对不同沙源供给条件下各种砾石床面的风沙流结构、床面风蚀及堆积沙量变化的风洞实验,结果表明,风沙流结构是判断戈壁风沙流饱和与不饱和的一个重要途径,不同的戈壁风沙流结构对床面输、阻沙特性具有不同的指示意义。近地表0～6 cm高度内的风沙流结构决定了床面的输、阻性质,而6 cm以上的风沙流结构反映了风力对沙物质的输送状况。沙源供给的丰富与否,决定了风沙流的饱和程度,以及风沙流在砾石床面产生的蚀积状况。同等风速条件下,饱和风沙流的输沙率是非饱和风沙流输沙率的2～8倍。在饱和风沙流情形下,床面过程总体以积沙为主,且随风力的增强,床面积沙量急剧增加。在不饱和风沙流情形下,砾石床面总体以风蚀和输送沙物质过程为主,风沙流结构在0～2 cm高度内反映出砾石床面具有明显的阻沙功能,在2～5 cm高度上出现最大输沙值。     

沙粒跃移云及Magnus力对床面有效粗糙度的影响

建立了考虑Magnus效应的、吹过平坦沙面的稳定风场中风与跃移沙粒相互耦合的风沙跃移云模型,并通过数值模拟研究了风沙跃移运动对床面粗糙度的影响。结果表明,跃移沙粒对风速的影响类似于床面粗糙度的影响,有效粗糙度随摩阻速度的变化关系可用二次函数表征;Magnus力对有效粗糙度有明显的影响,但这种影响并不改变有效粗糙度与摩阻风速之间的二次函数关系。     

悬移层风沙运动数值模拟

针对沙尘暴天气的风沙气固两相流,采用FLUENT软件,对悬移层的风沙运动进行了,2D数值模拟分析．比较了流体边界条件对流场的影响。风沙起动后,用紧贴地面的平面作为风沙起动床面的简化模拟面。本文提出一个新的沙粒起动体积浓度的表达式,并在计算中作为边界条件。在模拟中,避免了对床面复杂状况的直接描述。计算结果揭示了风沙流起动阶段沙尘的速度、体积浓度分布规律及其在边界条件影响下的变化规律。     

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。     

敦煌莫高窟顶几种典型床面蚀积量变化过程的初步观测

通过对莫高窟窟顶自然和人工床面的风蚀、输导及堆积沙量变化的野外监测,初步观测结果表明：在偏西风作用下,自然状况下的戈壁床面阻截了来自鸣沙山40％的沙量,其余60%的沙量进入窟区;而偏东风又可将偏西风、偏南风作用下沉积于窟顶90％的沙量吹回到鸣沙山边缘。床面阻、输性质与沙源供给状况密切相关。沙源丰富时,风沙流以较饱和形式输送,易形成输沙床面性质;沙源匮乏时,风沙流多以不饱和形式输送,形成阻沙-输沙床面性质。砾石直径较大（＞4 cm）的床面主要呈现堆积性质,对偏西的风沙流阻滞功效比较明显,每100 m阻沙率可达45％;偏东风作用下,每100 m阻沙率可达19％; 而砾石直径较小（1 cm）的床面,主要以风沙输沙功能为主,是一个非堆积搬运床面。     

风沙流中沙粒拖曳力系数研究

 拖曳力系数是计算风沙流中沙粒受空气阻力的重要参数。考虑实际风沙流中沙粒浓度及沙粒形状,利用FLUENT软件首先计算了不同风速下距地表不同高度处两沙粒的拖曳力系数,给出了影响沙粒拖曳力系数的间距范围,然后计算了真实风沙流中不同高度沙粒拖曳力系数。结果表明,给定风速下拖曳力系数随距地面高度的增加先减小后增加,并将沙粒拖曳力系数拟合成距床面高度的函数,该函数与风速有关。     

莫高窟窟顶戈壁防护带阻截和输导功能研究

多风信条件下, 沙砾质戈壁与鸣沙山进行着往复式的能量交换及物质运动。部分沙物质在砾石的保护下, 形成阻沙。部分沙物质在跃移沙粒的激化下形成戈壁风沙流并对洞窟产生危害。戈壁风沙流是造成沙砾质戈壁从稳定向不稳定状态演化的主要动力因素; 而上风向沙源的供给状况又是决定砾石床面阻沙和导沙的主要因素。基于此, 戈壁防护带应首先控制来自鸣沙山的沙源, 采取以阻断或减少外来沙源, 通过固定和覆盖沙砾质戈壁地表以及增加下垫面粗糙度等, 来造成一种既利于沙子堆积的条件, 又能促进形成天然戈壁输沙场, 从而为偏东风反向搬运创造一个适宜场。因此, 如何因势利导, 使窟顶流场与风沙地貌达到一种动力平衡, 是莫高窟综合防护体系成功与否的关键之一。这与以往单风向或双风向条件下所探讨的防护体系效应有着本质的区别。     

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。     

风沙流和净风场中瞬时水平风速廓线特征比较

为进一步认识风沙流和净风场中瞬时水平风速廓线特征的异同,在风洞中分别对风沙流和净风场中瞬时水平风速廓线进行了测量,风速采集时间间隔缩短至0.01s,分析了风沙流和净风场中瞬时水平风速、瞬时摩阻风速和瞬时空气动力学粗糙度的变化特征。结果表明：相同来流条件下,风沙流中水平风速脉动强度高于净风场,风沙流中瞬时摩阻风速、瞬时空气动力学粗糙度以及它们的脉动幅度均大于净风场;风沙流和净风场中瞬时摩阻风速概率密度分布均可以表示为正态分布,但其正态分布的特征值却存在一定差别;净风场中瞬时空气动力学粗糙度的概率密度分布表现出单调递减分布,而风沙流中瞬时空气动力学粗糙度的概率密度分布呈现出单峰分布。因此,在相同主流风速下风沙流和净风场中瞬时水平风速廓线特征有明显差别。     

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。     

灌丛沙堆表面压力分布特征的实验研究

风成沙丘表面压力分布特征直接反映沙丘表面风蚀风积特点,因而是研究沙丘表面地貌过程的重要依据。依据风沙运动实验相似性理论,以新疆和田河流域实测柽柳沙堆为基础,按一定比例缩小制作成四组模型,选用起沙风速区间在6~14 m/s的5组不同风速分别对四组模型在风洞中作纯气流表面压力的模拟实验。结果表明,无植物覆盖的半球形沙堆和圆锥形沙堆的表面压力分布特征存在着较大差异,其中半球形沙堆迎风坡下部有较明显反射涡流,丘顶存在高压剪切气流区域,圆锥形沙堆则不存在这种风压变化,此外半球形和圆锥形沙堆两翼的高低压风蚀区域分布特点也不一致。人工“植物”引发的沙堆丘顶和背风坡区域表面风压的显著变化有利于截留沙尘、保护沙堆免受风蚀并促进沙堆增长。     

塔克拉玛干沙漠风蚀起沙观测研究——试验介绍与观测结果初报

介绍了中国气象局乌鲁木齐沙漠气象研究所在塔克拉玛干沙漠开展的风蚀起沙观测试验。对观测试验所获观测资料进行了初步分析,获得了一些有关塔克拉玛干沙漠风沙运动的特征。主要结果为,下垫面状况影响风沙流结构,塔中、若羌0~100 cm高程风沙流结构完全符合指数分布,肖塘则上部偏离指数分布;3地0~100 cm高程风沙流分别有72.4％、47.3%、62.6%的输沙量分布在0~30 cm高程内;3地风沙流输沙的粒径以细沙、极细沙、粉沙为主,其中极细沙可占到输沙量的43.8%~75.5%;风沙流中贴地层风速廓线受风沙相互作用的影响,不再符合对数分布,更加符合幂函数u=azb分布,拟合系数均大于0.93;沙尘撞击颗粒数与2 m高度风速变化趋势一致,塔中、肖塘、若羌3地的临界摩擦速度分别为0.25 m·s-1,0.27 m·s-1,0.21 m·s-1。     

新疆策勒沙漠-绿洲过渡带不同下垫面地表蚀积变化特征

沙漠-绿洲过渡带天然植被具有良好的防风阻沙效益,对绿洲内部农田起到重要生态保护作用。在新疆策勒沙漠-绿洲过渡带流沙地、半固定沙地、绿洲边缘固定沙地6个不同植被覆盖度样地风蚀、风积变化观测基础上,结合地表风速数据,探讨流沙地、半固定沙地、固定沙地不同植被覆盖度和地形下地表风蚀风积变化特征及其影响因素。结果表明：流沙地表现出较强烈的地表风蚀;半固定沙地整体表现出强烈的地表风积;固定沙地上植被覆盖度越高、植株越高和排列方式越均匀、整体地势越低,单位面积风积量也就越大、风蚀量越小,风蚀主要发生在灌丛沙堆的上风向、侧翼、背风风向的裸低凹沙地表面,较高沙堆侧翼的地表风蚀量最大。植被覆盖度与单位面积风蚀量呈多项式或指数函数关系递减,植被覆盖度与单位面积风积量不呈函数分布,说明除了植被覆盖度外,植株类型、高度、排列方式、地形等都会对地表风积量产生一定影响。     

巴丹吉林沙漠高大沙山沉积物粒度特征及其与植被、地貌关系

沙丘形成演变是风-沉积物-其他地理因子相互反馈作用的一个动态系统过程,粒度可以揭示其中包含的部分环境信息并被广泛应用于风沙地貌研究。本文分析了巴丹吉林沙漠伊和吉格德湖高大沙山区沉积物粒度特征及其与植被、地貌形态的关系。结果表明:迎风坡中上部及中部剖面各层沉积物主粒径均一,分别为中沙、细沙;迎风坡中下部及底部剖面细沙、中沙及粗沙等不同主粒径层交替,粒配复杂,其成因与粗沙粒保护作用、风向季节变化及地质时期气候变迁等因素有关;背风坡表层沉积物以细沙为主,趋向底部粗沙、中沙及极细砂增多,说明不同粒径对风及重力作用的响应存在差异;粒度参数散点图可以区分不同部位样品,趋向迎风坡底部剖面,沙粒分选性变差,正偏、负偏及近对称沙层交替,说明风力分选作用在不同部位差异明显及存在其他外力作用;沙层粒配影响植被多样性,迎风坡中上部中沙含量高,背风坡表层中部偏上极细沙及大于2.65 Φ细沙含量突然增加,是植被影响粒配的反映;迎风坡沉积环境的差异,说明随地质时期气候变迁,沙山形成可能经历了两个重要阶段,一是早期风力和水动力交替影响、具有风成与非风成环境交替特征的基底形成时期,二是以风力作用为主的现代沙山形成时期。     

不同覆盖度沙粒胶结体风蚀抑制效益研究

以塔克拉玛干沙漠腹地的沙粒胶结体（Sand Cemented Bodies,SCB）为研究对象，通过野外自然状态下吹蚀不同沙粒胶结体覆盖度的沙盘，计算沙面风蚀（积）量，并对覆盖度与风蚀率、抗风蚀效率的关系进行分析。结果表明：风蚀量随沙粒胶结体覆盖度的增加而减小，随吹蚀时间的增加而增加；当覆盖度大于30%时，沙面发生风沙堆积，且堆积量随覆盖度和吹蚀时间的增加而增加；沙粒胶结体的抗风蚀效率随覆盖度的增加而线性增大。沙面蚀积转化临界覆盖度为30%左右，且该覆盖度下床面抗风蚀效益最佳。通过对比沙粒胶结体抗风蚀效益的风洞模拟和野外实验，表明风况、风速、沙粒胶结体粒径组合不同可导致沙面蚀积差异和临界覆盖度不同。因此，塔克拉玛干沙漠腹地发育的沙粒胶结体具有很好的风蚀抑制功能，可作为流沙固定新措施继续研究开发。     

黄河源区玛多盆地沙漠化土地粒度特征

为探讨黄河源区玛多盆地风沙沉积物分异特征,采集玛多盆地不同沙漠化程度、不同地貌部位、不同动力条件的沉积物样品进行粒度分析。结果表明：（1）玛多盆地沉积物随沙漠化程度增加,平均粒径增大,粗颗粒组分增多,分选性变好,偏度向负偏靠拢,峰态逐渐转向平坦,频率分布曲线也由双峰态转变为单峰态。（2）流动沙丘以中沙和细沙组分为主,分选性好,偏度近对称,峰度为中等尖锐。各个沙丘不同地貌部位沉积物粒度参数分异受风向改变的影响,变化规律不明显。流动沙丘沉积物相较于流动沙地沉积物的粒径更粗,分选性更好,可能是沙丘形成过程中风对沉积物颗粒的再次分选所致。（3）河流阶地剖面沉积物的主要粒级为中沙和细沙,分选中等偏差,偏度为正偏,峰尖锐,河流阶地沉积物的粒度组成与周围风成作用形成的流动沙丘（地）的粒度组成高度相似,极有可能是当地风沙活动的主要物源。     

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。