栅栏最佳疏透度的空气动力学评价

为研究栅栏防沙的动力学机制,运用风洞中PIV所测风速资料,从空气动力学角度对直立栅栏的最佳疏透度范围进行了讨论与评价。结果表明,不同研究者所得栅栏的最佳疏透度范围不尽相同,大致范围在0.2～0.6之间,结果非常分散。PIV资料评价的栅栏最佳疏透度在0.2～0.3之间,该疏透度范围的栅栏周围气流湍流度较低,对风能的耗散较大,能有效抑制过境风沙流,理论上属于防沙的最佳疏透度,但实践操作中为了降低成本,阻沙栅栏的实际疏透度可适度增大,放宽到0.3~0.4左右。栅栏绕流的复杂性,使得众多研究都运用了过多的简化与假设,而且研究者们对于栅栏防护过程的不同理解以及所强调的保护侧重点不同导致评判的标准也各不相同,最终得到的最佳疏透度范围也有所差异。     

栅栏对颗粒起动风速影响的实验研究

气流对栅栏的响应可以定量地用沙粒的起动风速来表征。通过风洞模拟实验研究了栅栏两侧不同距离处沙粒的起动风速及运动特征随疏透度和高度的变化关系。根据颗粒运动的不同典型特征,栅栏附近的水平区域可划分为5个区。栅栏的疏透度是决定其最终防护效果的关键因素,紧密型栅栏,尤其是不透风栅栏,其迎风侧脚容易形成堆积。栅栏疏透度为0.3～0.4时相对起动风速最大,疏透度0.3～0.6时能产生最大的有效防护距离。栅栏越低,产生最佳的防护效果所要求的疏透度就相对越小,反之亦然。疏透度0.3～0.4的栅栏在实际应用中可以起到最佳的防风阻沙效果。     

敦煌莫高窟顶灌木林带防护效应研究

风洞模拟实验和野外观测结果表明,平均林带高H=1 5m,疏透度β=50%的两条灌木林带周围的气流场分为7个能量区。在贴地层,有林带前的拐角绕流阻滞减速区,林带中的灌丛阻挡湍流衰减区,林带后的回流涡旋减速及速度恢复区,林带远方的气流附体加速区。在林带上部,有林带间的阻滞减速区和林带后的涡旋减速区,在林带顶后部有集流加速区。风沙流在阻滞、涡旋回流减速区沉积,而在加速区则会产生风蚀,在林带顶上下层气流交换加强。在低速时林带阻沙能力较强,当风速为10m·s-1时,有林带的输沙量可减少一个量级,即阻滞90%的风沙流;在中高风速时(风速为15m·s-1及以上),林带对风沙流的阻滞作用明显减弱,只阻滞20%。     

栅栏防护体系空气动力学效应研究进展

栅栏防护体系的空气动力学效应研究是揭示其防护机理的重要基础,也是风沙工程学和风沙物理学应用研究的主要组成部分。根据已有的研究成果,全面综述了近半个多世纪以来有关栅栏防护体系空气动力学机制方面的研究进展,对各个时期的主要成果作以介绍,并对几种代表性防护栅栏最佳疏透度的确定方法及范围分别加以对比分析。分析认为,对栅栏空气动力学效应已取得了相对较深的认识,并且积累了大量的研究经验,对于认识栅栏防护机理具有重要的指导和启发作用。但影响栅栏防护效益的因素是复杂的,众多研究都运用了过多的简化与假设,而且研究者们对于栅栏防护效应的理解不同以及所强调的保护侧重点不同导致评判的标准也各不相同,最终得到的最佳疏透度也有所差异,不能直接运用于实践中。鉴于此,在将来的研究中运用现代测量技术获取可靠的数据资料仍然很重要。     

青藏铁路沿线阻沙栅栏防护机理及其效应分析

对青藏铁路沿线阻沙栅栏的流场结构、阻沙效率进行风洞模拟实验,对沱沱河路段阻沙栅栏的野外积沙形态进行观测。结果显示,气流经过栅栏时有遇阻抬升、集流加速、减速沉降区和消散恢复区。在越过栅栏后形成两个减速恢复区和两个加速区,减速区分别距地表3 cm和20 cm处,加速区分别位于近地表和35 cm高度处。随来流风速的增加,栅栏前加速区起始范围向栅栏逼近,而栅栏后恢复区起点向远离栅栏方向发展。当气流越过栅栏后风速急剧降低,导致沙粒减速沉降。随进口风速的增加,栅栏间阻沙量和越过栅栏后输出沙量呈指数关系递增。铁路沿线采用的栅栏阻沙效率达80%以上,且随风速的增加呈线性关系递减。沱沱河路段阻沙栅栏西南侧以风蚀为主,最大风蚀深度达16\^7 cm,其余区域表现为积沙,最大积沙厚度达19\^9 cm。     

不同结构单排林带防风效应的风洞模拟

风速大小、林带疏透度及高度都会对林带周围气流产生影响,使气流在林带两侧发生分离或积聚,从而形成不同的防护功能区。为探求林带结构对防风效应的影响机理,选取10组高度和疏透度不同的林带模型,对其防风效应进行了风洞模拟实验,通过绘制加速率等值线图及其变化趋势线、防风效应图,并计算不同结构单排林带的有效防护距离,进而揭示风速、林带疏透度和高度对林带上风向和下风向风速、防风效应和有效防护距离的影响规律。     

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。     

不同类型林带防护效应的数值模拟

分别对紧密、疏透、通风型林带绕林流场进行了数值模拟,分析了林带结构特征对绕林带流场的影响,比较了不同林带结构在同一高度上的沿流相对风速变化情况,并指出了它们各自的适用范围和在防沙治沙中的作用。     

防护林搭配灌草条件下的PIV实验研究

在低速风洞中,利用粒子图像测速仪(PIV),采用2帧-互相关的分析方法,对疏透度为30%、带前搭配灌草的防护林绕林流场的流动特征进行实验测量,获得其较大范围(11 H×3 H,H为防护林高度)绕林流场的速度矢量分布图、流速分布图和涡量分布图,与带前无草的防护林流场进行对比分析研究,并且利用CFD软件STAR CD对其数值模拟计算,从而发现防护林在搭配灌草条件下对防护林防护效应的影响。     

复膜沙袋阻沙体与芦苇高立式方格沙障防沙机理风洞模拟实验

模型按1:10比例尺设计,在u_∞=7.0 m·s^-1、u_∞=10.0 m·s^-1和u_∞=15.0 m·s^-1实验风速下,先在纯气流作用下测定流场结构,然后在风沙流作用下测定蚀积状况。实验结果表明:紧密型、疏透型和通风型3种不同结构的复膜沙袋阻沙体前近处分布有拐角阻滞绕流区、阻沙体顶下方抬升加速区、阻沙体后回流区、阻沙体后贴地层低速回流区等流场特征结构,紧密型、疏透型两种类型复膜沙袋阻沙体防风阻沙效果显著;2.5 m×2.5 m、5 m×5 m和10 m×10 m的高立式芦苇方格前沿流速逐渐增大,最大值出现于迎风第一格上空,而后逐渐阻滞减速,至15~20 m处趋于稳定,区内积沙均匀。复膜沙袋阻沙体与原状芦苇高立式方格沙障适宜于流动性沙漠地区各种设施的沙害防治工程。     

包兰铁路沙坡头段不同编制结构的枝条阻沙栅栏防护效应风洞模拟

对包兰铁路沙坡头段枝条阻沙栅栏流场结构进行风洞模拟试验。结果表明:气流在经过横向、竖向阻沙栅栏时均出现了明显的流速分区。气流在经过阻沙栅栏时速度会减弱,但是竖向枝条阻沙栅栏的综合阻风防沙效果明显优于横向阻沙栅栏,同时竖向枝条阻沙栅栏制作上具有工序简单、原材料广泛及不受枝条长度限制的特性,因此,在防沙治沙应用中,竖向枝条阻沙栅栏更适合推广。虽然孔隙度是阻沙栅栏设计的重要技术参数,但栅栏结构对风沙流场产生直接影响,是决定着其对风沙活动防护效应高低的关键因子。     

广西跨海大桥桥位区风场特征实测分析

为了全面准确地掌握广西跨海大桥的风环境和风特性参数,2012 年在桥位区设立了一座高度为 55 m 的测风塔,安装了梯度风和超声风观测仪器对其近地风场环境进行了连续 1 a 的现场观测,分析大桥桥位区实测的平均风场特征和湍流脉动风场特征,并推算了桥位区设计风速,结果表明：1）桥位区平均风速垂直变化曲线符合幂指数规律,大风状况时的风切变指数为 0.062,平均风速上半年＞下半年,累年平均和秋、冬、春季主导风向较稳定且均为偏北风;2）在台风“启德”过程观测到的风攻角基本不超过规范用于抗风性能检验规定的±3°范围,脉动风湍流表现为均匀平稳的湍流变化过程,三维方向的湍流强度变化趋势基本一致、湍流积分尺度随时间的变化不大,湍流功率谱在惯性副区内基本符合 Kolmogrove 谱-5/3 律;3）大桥桥面高度处的设计风速 50 a 一遇为 39.7 m/s,100 a 一遇为 42.7 m/s。     

农田风蚀量随风速的变化

采用长期野外观测和风洞模拟实验相结合的手段就农田风蚀量随风速的变化问题进行研究。结果表明:无论是野外观测的农田输沙强度,还是风洞模拟得到的风蚀强度随风速变化趋势均符合指数函数。这与前人通过实验得到的其他地区农田和草地风蚀量随风速变化的趋势一致,说明农田和草地上风蚀量随风速增加呈指数规律变化是一种普遍存在的现象。表土抗蚀性因子和地表粗糙因子不同导致的沙源供应能力的差异,可能是不同地类之间风蚀量随风速变化规律不同的主要原因。农田和草地沙源供应有限,风蚀量随风速增大呈指数规律变化;沙漠地区沙源充足,风蚀量随风速增加呈幂函数变化。本研究对于确定沙源供应条件对于风蚀量与风速关系的影响,构建基于有限沙源供应的风蚀模型具有重要意义。     

低覆盖度乔木两种分布格局内风速流场和防风效果风洞实验

低覆盖度植被的防风固沙效果一直是防沙治沙工程中的关键问题。在风速为10 m·s-1和15 m·s-1的风洞实验条件下,模拟研究了覆盖度为20%的行带式分布和随机分布的乔木固沙林的风速流场和防风效果。结果表明:①在水平空间上,随机分布和行带式模式都形成了风影区和风速加速区相互组合的复杂水平流场结构,其中,随机分布要比行带式模式的流场结构更加复杂。②在垂直空间上,林冠下近地面(1.2 cm以下)风速都有微弱的增加,1.6~20 cm高度行带式模式内风速均有所减小,而随机分布模式风速变化无明显规律。③随机分布模式中两株植株相互组合时,不仅在植株两侧出现风速加速区,同时在两植株间出现风速加速区,出现 “狭管增速效应”。     

不同结构的尼龙网和塑料网防沙效应研究

通过不同结构的尼龙网和塑料网对风沙流减弱作用的风洞实验研究,旨在为探求各种防沙新材料的防护功能,并为防沙新材料的开发、野外工程防沙的优化设计及其应用提供理论依据。笔者在前人研究的基础上,以平均净阻沙率、网后平均输沙率和风沙流动态变化趋势为参考指标,初步证实了尼龙网和塑料网与常规的防沙材料,在防沙功能上具有同等的作用,且当孔隙度β在40%左右时防护效益最佳。     

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。     

Height profile of the mean velocity of an aeolian saltating cloud: Wind tunnel measurements by Particle Image Velocimetry

The velocity of saltating particles is an important parameter in studying the aeolian sand movement. We used Particle Image Velocimetry to measure the variation with height of the mean particle velocity of a saltating cloud over a loose sand surface in a wind tunnel. The results suggest that both the horizontal and vertical particle velocities fit the Gaussian distribution well, and that the mean particle velocity of a saltating cloud varies with wind velocity, particle size and the height above bed. The mean horizontal velocity is mainly the result of acceleration by the wind and increases with an increase in friction wind velocity but decreases with an increase in grain size because greater wind velocity causes more acceleration and finer particles are more easily accelerated at a given wind velocity. It also increases with an increase in height by a power function, in agreement with previous results obtained by other methods such as the high-speed multi-flash photographic method and Particle Dynamics Analyzer (PDA), reflecting, first, the increase in wind velocity with height through the boundary layer, and second, the longer trajectory-particle path length increases with height and affords a longer time for acceleration by the wind. An empirical model relating the mean horizontal particle velocity and height, friction wind velocity as well as particle size is developed. The ratio of the mean horizontal particle velocity to the clean wind velocity at the same height increases with height but decreases with grain size. The magnitude of mean vertical velocity is much less (one or two orders less) compared with the mean horizontal velocity. The average movement in the vertical direction of a saltating cloud is upward (the mean vertical velocity is positive). Although the upward velocity of a saltating particle should decrease with height due to gravity the mean vertical (upward) velocity (the average of both ascending and descending particles) generally shows a tendency to increase with height. It seems that at higher elevations the data are more and more dominated by the ‘high-flyers’. The underlying mechanism for the mean vertical velocity distribution patterns needs to be clarified by further study.