风沙流中沙粒旋转对PIV测量结果的影响

 基于粒子图像测速仪(Particle Image Velocimetry, 简称PIV)测速度原理以及测量颗粒粒径原理,分析了经过一个激光脉冲时间前后CCD拍摄到的两帧沙粒二维图像,计算了沙粒因旋转而导致的沙粒质心位移与成像中点位移的差别以及不同时刻成像面的大小,导出PIV测量不规则旋转沙粒速度和粒径的测量误差公式。结果表明,PIV测速误差与沙粒速度有关,速度越大测速误差越小,最大测速误差不超过10％,可通过增大激光脉冲时间间隔以减小PIV的测速误差;由于沙粒旋转,使得不同时刻PIV测量到的同一个不规则沙粒的粒径也可能不同,其差别由沙粒形状的不规则程度决定,并指出PIV测量风沙流中不规则沙粒的粒径的可行性与可靠性需要进一步论证。     

基于湍流结构的风沙颗粒起动动态演化的概念模式

从驱动沙粒群起动的湍流结构入手,提出了基于气固两相流自调节机制的风沙颗粒起动的概念模式。受风沙边界层湍流相干结构的产生、消亡、湍流的随机脉动和运动沙粒群碰撞过程的动量损失等因素的控制和影响,风沙两相流始终处于不平衡—平衡—不平衡的动态演化之中,在此过程中,存在着普通的空气动力学起动、典型的冲击起动、湍流猝发起动等多种起动方式的循环交替的动态演化。上述多种的沙粒起动方式能够根据风沙边界层边壁区的湍流运动应力和沙粒群碰撞过程的动量损失来界定。该概念模式需要综合利用相位多普勒粒子动态分析测速技术、粒子图像测速技术和高速数字摄影技术等手段来进一步验证。该概念模式的提出,将为深入理解沙粒起动的力学机制提供新的思路。     

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。     

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。     

PIV技术及其在风沙边界层研究中的应用

为了考察粒子图像测速度技术在风沙环境风洞中的测量精度及在风沙边界层研究中的应用潜力,通过筛选适当的示踪颗粒,借助PIV测量系统重新测量了风沙环境风洞中的风廓线,并获得了风沙边界层内跃移沙粒的速度和浓度分布规律。实验结果表明：PIV测得的风速廓线与标准风速廓线仪所测结果相当吻合(R2≥0.99);沙粒跃移的平均水平速度和相对浓度（灰度）沿距离沙面高度分别呈幂函数和负指数分布,沙粒速度随高度和自由风速的增加而增大,相对浓度随高度的增加而快速衰减,风速越小衰减越快,风速越大衰减越慢,这一结果与前人的结论一致。PIV系统为将来能够进行更加精确的风沙运动微观机理研究提供了技术保证。     

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。     

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。     

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。     

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。     

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、350μm)、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。     

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。     

Measuring the velocity of sand particles in an air/particle two-phase flow: A comparison of several commonly used methods

The velocity of blown sand particles is an important parameter in aeolian movement （a special case of gas particle two-phase flow） and has ever been a topic of interest. At present, several techniques have been applied in measuring velocity of the blown sand particles. This paper reviews the measurement results of several commonly used methods： photoelectric cell method, high-speed photographic method, Particle Dynamics Analyzer （PDA） method and Particle Image Velocimetry （PIV） method. Photoelectric cell method, high-speed photograph method and PDA method are useful in studying the velocity distribution of particles. PIV is a whole-flow-field technique and a useful tool to study the average velocity field in a target area. These methods got some similar results but considerable differences also exist. They have come to similar conclusions on the velocity distributions at a single height but direct measurement results with respect to the velocity distribution very close to the surface are still scarce except some PDA results. The magnitude of measured mean particle velocity differs greatly. The relationship obtained by different methods between mean particle velocity and wind velocity, particle size and possibly other influencing factors also differs considerably. Although several authors have proposed similar power functions to describe the variation with height of the mean particle velocity, the predicted results have wide differences. Each technique is based on some unique principles, and has its advantages and disad- vantages. To make full use of different techniques, a lot of work needs be done to validate them. Developing a reliable technique to measure the velocity of blown particles is still a necessary task in aeolian research.     

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。     

直立阻沙栅栏流场特征的风洞模拟实验

直立栅栏作用于地表深刻地影响了周围气流的流动特性,使原来流经地表的气流成为一种特殊形式的“次生流”。根据PIV所测的非对数-线性风速廓线形态及风速廓线所表现的不同速度梯度,栅栏周围的流场可以划分为6个典型区域。随着栅栏疏透度的增加,流动的区域会随着下风向距离的增加逐渐合并,划分的区域越来越少。这些典型的区域分别表现了气流的不同运移行为及能量传输特征,对栅栏周围的风沙沉积有很大的影响。     

粒子图像测速(PIV)技术在风沙环境风洞中的应用

粒子图像测速技术是一种全新的非接触、瞬时、全场流速测量方法,广泛应用于流体力学实验中。笔者将其引入风沙运动研究是一个尝试,旨在为风沙物理和防沙工程研究提供新的测量手段。通过分析一系列的风洞实验结果,我们认为,在风沙流中颗粒速度分布、浓度分布、风沙地貌形成演化、防沙工程原理及应用方面,粒子图像测速技术具有一定优势,可以克服传统测量手段的某些不足。