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。     

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。     

风沙流中风速脉动对输沙量的影响

通过对不同工程措施下风沙流中风速脉动特征与输沙量波动研究发现：不同孔隙度栅栏中各高度层瞬时风速的波动性具有很好的相关性,而且相邻高度之间的相关性非常显著。在不同风速下,典型工程措施中同一高度层输沙量具有相对应的变化特征;瞬时风速的波动性主要与其所在高度层沙粒的运动状态和工程效益有关。     

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。     

风沙流中沙粒随机运动的数值模拟研究

通过对描述沙粒垂向运动速度脉动分量的随机微分方程的直接求解,获得了风沙流中沙粒运动的随机轨迹。结果表明,由于沙粒垂向脉动速度的影响,沙粒的轨迹与不考虑其垂向脉动速度的情形存在明显不同。在此基础上,通过对大量轨迹的统计计算,得到了沙粒浓度的分布规律。     

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。     

海岸沙丘表面不同部位风沙流中不同粒径沙粒垂向分布的变化

河北昌黎黄金海岸典型沙丘的实地观测表明,风沙流中中沙与细沙输沙量的垂向分布在沙丘表面不同部位的变化并无本质性差别但有一定变化幅度的差异,如绝对输沙量均在迎风坡至丘顶增加、丘顶至背风坡坡脚减小,但中沙输沙量在迎风坡增加的幅度小于细沙、在背风坡减少的幅度大于细沙;相对输沙量在沙丘不同部位的变化趋向类似,但细沙的变化幅度要小于中沙;中沙的垂向分布模式均为幂函数,细沙则表现为指数分布(0~10cm高度内)和幂函数分布(10~30cm高度内)。     

不同防沙措施的风沙流及其携沙粒度垂直分异特征

为揭示不同防沙措施影响下风沙流结构及其携沙粒度变化规律,采用木质和尼龙网2种材料制作方格沙障、单行沙障、双行沙障与挡沙墙4种防沙措施模型,利用风洞实验对防沙措施前后风沙流结构进行测定,并结合Mastersizer3000激光粒度分布仪对沙样进行粒度组成分析。结果表明：（1） 不同防沙措施迎风侧风沙流垂直分布与未设置防沙措施时基本相似,输沙量随高度的增加而减小,88%以上的输沙量集中在0~10 cm高度层;而背风侧输沙量随高度表现为先增大后减小的变化规律,且随着沙障规格的减小、高度的增加、行间距的变窄、孔隙度的降低输沙量集中范围逐渐向上偏移,输沙量峰值出现的位置由高度较低的透风型方格沙障（7 cm）上移至高度较高的不透风型挡沙墙（26 cm）,且近地表0~10 cm高度层积沙量越少。（2） 受不同防沙措施影响,不同高度层沙粒粒度特征差异显著,整体表现出随着高度的增加沙粒的平均粒径逐渐减小的变化规律,细沙和中沙主要分布在近地表5~25 cm层,而近地表0~5 cm层则分布有细沙、中沙和粗沙,峰值出现在0.300 mm附近,平均含量约为12.09%;粒度参数变化受防沙措施规格变化影响较小,更多表现在高度层的差异,不同防沙措施各高度层沙粒分选性较好、极正偏,峰度随防沙措施参数的密集化由宽平向中等、尖窄变化,由方格沙障（0.990）、单行沙障（0.990）、双行沙障（0.996）向挡沙墙（1.086）变化,且上述变化规律随指示风速的增大逐渐增强。     

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。     

半干旱区不同类型沙丘风沙流结构特征

采用两种阶梯式集沙仪和小型气象站于2017年4—5月对科尔沁沙地流动沙丘、半固定沙丘和固定沙丘0~75 cm气流层风沙流的总输沙量、输沙率、粒径组成分布和风蚀特征值进行了观测。结果表明：（1）随着高度增加,总输沙量下降,随着风速增加,总输沙量上升;92.20%~95.60%的输沙量发生在0~21 cm高度。（2）总输沙率（Q）流动沙丘>半固定沙丘>固定沙丘,将Q与地上200 cm风速进行函数拟合,流动沙丘幂函数最佳（R²=0.986）,半固定（R²=0.990）和固定沙丘（R²=0.956）指数函数最佳。（3）将各高度的输沙率与地上200 cm风速进行函数拟合,流动沙丘（R²≥0.905）和半固定沙丘（R²≥0.968）拟合度幂函数好于指数函数,固定沙丘（R²≥0.923）指数函数优于幂函数。（4）在一定高度下,3类沙丘输沙率均随着风速的增加而增加;在一定风速下,输沙率随着高度的增加而逐渐递减。（5）3类沙丘的特征值随着风速的增加呈现出逐渐递增的趋势;流动沙丘以λ>1为主,表现出持续侵蚀输送沙粒的能力;半固定沙丘当风速>9.0 m·s^-1时逐渐出现侵蚀状态;固定沙丘以λ<1为主,近地表风沙以堆积状态为主。（6）3类沙丘主要由粒径为0.1~0.25 mm的细沙构成,在0~30 cm高度,细沙占输沙量的50.09%~85.11%,在30~75 cm高度,细沙占输沙量的43.53%~75.53%。     

风沙流起动阶段沙粒输运特征

为了探究风沙流起动过程中沙粒输运特征,利用PTV测量技术在风洞中对风沙流起动过程进行了测量,分析了沙粒空间分布、沙粒平均水平速度、输沙率、沙粒数密度和输沙通量随时间的变化规律。结果表明：风沙流起动时间大约为1.5 s。起动过程中,输沙率随时间迅速增加,气流中沙粒总数目随时间的变化可表示为指数函数,沙粒数密度和输沙通量随高度的变化均可近似表示为负指数衰减函数。在t=1.0 s时刻的沙粒平均水平速度大于相同高度处以后时刻的沙粒平均水平速度,同一高度处t=1.5 s以后的沙粒数密度大于t=0.5 s、1.0 s时刻的沙粒数密度,同一高度处t=1.5 s以后的输沙通量大于t=1.0 s时刻的输沙通量。沙粒数密度随高度的衰减率一般随时间的增加而减小,并在t=1.5 s后逐渐接近稳定值。     

风沙流输沙通量垂向分布研究 ——以塔克拉玛干沙漠南缘流沙地表风沙流观测为例

 于2010年4—6月在塔克拉玛干沙漠南缘策勒绿洲外缘流沙地进行风速、风向和输沙量同步观测,利用观测到的28组数据对输沙通量的垂向分布进行研究。结果表明,在4.5～8 m·s-1的风速区间内,总输沙率随风速增长速率较慢,大于8  m·s-1时增长迅速。在较小风速时,4个高度层(1 cm、3 cm、9 cm和19 cm)的输沙比率变化不明显,当风速大于6.6 m·s-1时,1 cm和19 cm高度输沙比率的调整较为明显,前者减小而后者增加,中间两层(3 cm、9 cm)则维持一定波动。不同的蚀积条件对于输沙通量的垂向分布具有一定的影响,平均跃移高度则在一定程度上反映了地表沙粒的吹蚀和堆积过程。在4种常见的描述输沙通量垂向分布的模型中,Zingg的修正幂函数具有最好的拟合程度,但反映的风沙流信息最少,简单幂函数的参数包涵了最为丰富的风沙流信息但拟合程度最差,指数函数同时具有较好的拟合程度和参数意义,Fryrear的幂函数则与指数函数恰恰相反。在沙物质以极细沙为主的塔克拉玛干沙漠南缘,指数函数较之简单幂函数能更好地描述该区域输沙通量的垂向分布,验证并补充了风洞实验的结果。综合比较认为,指数函数能更好地描述塔克拉玛干沙漠南缘输沙通量的垂向分布。     

人工卵石床面风沙流粒度特征

沉积物粒径分布对风沙沉积物的起动、输送和沉降过程十分重要。不同粒径的风沙沉积物空气动力学特征不同,从而导致其起动机理、输送过程和沉降模式不同。因此,粒度可以作为风沙沉积过程的指示器。戈壁是西北地区的一种重要地貌景观,戈壁风沙流是风沙物理研究的内容之一,但目前研究较少,特别是对戈壁风沙流粒度分布的研究,几乎没有报道。本文利用人工卵石床面模拟戈壁地表,对0.25、0.5、1 m和2 m高度的风沙流粒度特征进行观测,结果表明：沙源、地表状况、风程效应等影响沙粒粒径随高度的变化。沙源近,平均粒径随高度先减小后增加;沙源远,平均粒径随高度增加减小。戈壁表面的不同区域,沙粒粒径级配不同：随高度增加,粗砂,中砂含量降低,细砂、极细砂和粉砂含量增加;随距离增加,中砂含量降低,细砂、极细砂和粉砂含量增加。平均粒径越大,分选越好,偏度越趋于正偏,峰度越趋于变宽。偏度、峰度随分选系数增加而增加。峰度随偏度增加而增加。     

基于高速摄影技术的风沙流输沙通量剖面的风洞实验测量

风沙研究者非常重视对输沙通量随高度变化特征的研究,并为寻找可靠的测量手段付出了不懈的努力。基于高速摄影技术获得的沙粒平均水平速度与沙粒数的垂直剖面,推导了较低风速下环境风洞内输沙通量的垂直剖面。结果表明：沙粒平均水平速度随高度呈幂函数增加,颗粒浓度随高度的算数平方根呈指数衰减。由颗粒平均水平速度剖面与浓度剖面的乘积可获得输沙通量剖面。所获得的输沙通量随高度变化曲线在距床面1~3 mm处均有一个明显的拐点,拐点上方输沙通量随高度呈指数衰减。在床面与拐点之间输沙通量没有明显的变化趋势,这可能是由于气流中颗粒间的碰撞以及颗粒与床面碰撞的影响。平均跃移高度和相对衰减系数是描述输沙通量随高度变化的两个重要参数,两者有着很好的相关性,表明了随着风速增加和沙粒粒径减小跃移颗粒可以达到更大的高度,随着风速减小与粒径增大,输沙通量迅速衰减。     

青藏铁路格尔木-拉萨段风成沙物源及其粒度特征

青藏铁路格尔木-拉萨段沿线地表松散沉积物广泛分布,为风沙活动的产生提供了丰富的物质来源。地表松散沉积物按成因分为现代风成沙,河流冲积物,古风成沙和洪积、湖积沉积物。粒度分析结果显示,格-拉段沿线风沙物质（沙丘沙、防沙体系积沙）样品（56个）平均粒径变化于1.29～3.25 Φ之间,均值2.36 Φ（0.19 mm）。平均粒径在2～3 Φ（0.25～0.125 mm）之间的样品占总数的78.57%。粒度组成以细沙为主（65.20%）,其次是中沙（20.53%）,0.5～0.1 mm范围重量百分比在49.44%～99.67%之间,平均为85.98%。在所有样品中,细沙和中沙合计在90%以上者占样品总数的55.36%。极细沙平均含量为7.99%,粗沙平均含量为5.50%。样品整体分选程度较好,标准偏差σ1在0.3～1.26之间,平均为0.58。偏度变化在-0.41到 0.36之间,样品中以正态分布为主,占53.57%;正偏者占12.50%;负偏者占19.64%;极负偏和极正偏各占7.14%。KG值变化于0.56～1.24,平均为1.00,为中等峰态。KG值在0.90～1.11之间者占71.43%。粒度分析表明,不同来源沙物质粒度特征有明显的差别,能很好地反映其形成过程和环境特征。     

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。     

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。     

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。