不同类型防沙堤流场的风洞实验模拟研究

防沙堤在风沙防护体系中发挥着重要的作用。对不同形状、不同倾角和不同高度防沙堤的流场结构进行风洞模拟实验,对不同类型防沙堤的防护效益进行评价。研究结果表明:①防沙堤强烈地影响了周围的气流流动特性,根据不同流场特征将其划分为5个典型区域:迎风坡脚低速区、遇阻抬升区、集流加速区、减速沉降区和消散恢复区,其中迎风坡脚低速区和背风侧减速沉降区能有效降低风速、阻滞风沙流。②梯形较三角形防沙堤形成的迎风坡脚低速区范围更大,而三角形较梯形防沙堤形成的有效防护距离更大。③三角形防沙堤的防护范围随风速的增大而减小。三角形防沙堤形成的有效防护距离随迎风坡倾角的增加而增大;迎风坡脚低速区范围随倾角增大而减小。④倾角40°的三角形防沙堤模型在各组风速下均形成最大的有效防护距离。⑤防沙堤背风侧的有效防护距离与沙堤高度呈正相关。     

风沙运动的理论模拟和风洞实验对比研究

针对输沙率这一风沙运动的重要问题,在沙坡头野外风洞进行了实验观测,同时建立热对流-扩散作用下的风沙运动多场耦合模型,采用大涡模拟方法对其进行数值模拟研究。通过对比实验观测和理论模拟,结果表明:实验和理论模拟得到的风速和输沙率都比较吻合,风速近似可分为两部分,在35 cm高度以上,风场受沙粒的影响较弱,风速服从对数分布,与净风场一致;在0~35 cm高度区间,受大量跃移运动沙粒的阻滞作用使得风速单调减小,随着风速加强,跃移运动沙粒的数量也在增大,风速梯度逐渐减小。在风沙流发展过程中,开始阶段输沙率随时间呈指数增大,而后逐渐减小,直至达到动态稳定;随着风速加强,输沙率变大,风沙运动达到动态稳定的时间变短。风洞实验和理论模拟的输沙率结果在10 cm以上吻合得很好,但在10 cm以下,风洞实验和理论模拟差别较大。同一风速下,采用最小二乘法对风洞实验和理论模拟的输沙率进行拟合并得到拟合公式:输沙率沿高度呈指数规律递减。同时,在不同风速下对同一高度层输沙率对比分析表明,贴近地表处(0~10 cm)高度层内输沙率随风速增大所占的百分率降低;而在10 cm以上高度层内,随着风速的增大,其输沙率所占总输沙率的百分比却有明显增加。     

栅栏绕流减速效应风洞实验模拟

为研究阻沙栅栏的空气动力学效应,利用PIV技术对栅栏绕流的速度场进行了风洞实验模拟,并对其减速效应加以分析评价。结果表明,疏透度对栅栏绕流的平均速度场分布影响比较明显,疏透度越小栅栏后的平均水平风速衰减得越快;栅栏绕流的垂直速度分量在栅栏顶部最大,并随疏透度的增大而减小,影响了栅栏周围沙粒的跃移传输及沉积特征;栅栏后的累计减速率可以用高斯峰值函数来拟合,随疏透度的增大呈先增大后减小的趋势,疏透度η=0.2时累计减速率最大,代表了栅栏减速的理论最佳疏透度。     

科尔沁沙地土壤风蚀的风洞实验研究

本文通过风洞实验,对科尔沁沙地植被盖度、土壤含水量、土壤质地与风蚀量的关系,进行了定量研究。探讨了不同植被盖度及沙土含水量抗风蚀的极限值,以及不同粒配风沙土抗风蚀强度。     

气流中颗粒阻力系数和升力系数讨论

对于颗粒在气流中处于跃移状态时的受力问题,许多学者已作过论述。但是,不同学者在建立跃移模型时所选取的力并不完全相同。而且在力的计算方面见解不一,突出表现在阻力和升力的确定上。鉴于此,文章以阻力、阻力系数和升力、升力系数为出发点论述了阻力系数和升力系数的来源与本质,并针对当前广泛使用的阻力和升力公式进行评价,指出这些公式在应用中的缺陷。建议采用阻力系数和升力系数参数,通过实验测量来确定阻力和升力系数,以精确计算颗粒所受的阻力和升力。并对这种方法的合理性进行了讨论。     

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。     

坡面地表下的风场的风洞实验与数值模拟

 针对传统近地层风沙流的理论与数值模拟研究以及风洞实验大多是基于理想条件（平坦床面、定常风速）,而实际风沙运动通常发生在复杂环境下（如复杂地形、湍流结构风场等）,沙漠最基本的地貌形态如沙丘、沙波纹等迎风面坡度对颗粒起动和输沙率影响很大。基于此,应用相位多普勒粒子分析仪（PDPA）对坡面近地表风场进行测量,得到迎风坡及背风坡的风场特性,并且采用SIMPLE算法对坡面风场进行了数值模拟。通过对数值模拟及风洞实验结果进行对比分析后,发现数值模型不仅能够有效地模拟风洞实验中坡面地表的风场特性,而且能够较为直观全面的展现迎风坡面、特别是背风坡面的风场结构特性。     

若干特殊地表风蚀的风洞实验研究

经风洞模拟实验,本文对四种特殊地表在净风和挟沙风情况下的风蚀特性,进行了定量的研究。揭示了原始地表结构受人为破坏后,其抗风蚀能力急剧降低的特点。探讨了风成沙粒配、戈壁风蚀平衡与风蚀有关的几个问题。     

半湿润区农田土壤风蚀的风洞模拟研究

 采用风洞模拟手段对地处半湿润区的北京市农田土壤风蚀特征进行研究。结果表明,几类农田的风蚀特征存在较大差距,秋季翻耕不耙平地风蚀强度最大,玉米留茬地次之,翻耕耙平地最弱,垄向和风速对农田风蚀特征影响显著。各类农田风蚀强度均随风速增大呈指数规律增加,初始风蚀强度与风蚀强度增幅之间具有反对应关系,低风速时风蚀强度越大的地类,其风蚀强度随风速增加的越慢。输沙量随高度增加而减少,近地表减少较快,向上随着高度的增加减幅逐渐变缓。低风速时,风蚀物的垂向分布服从幂函数递减规律。随着风速增加,风蚀物粒径不断变粗,风蚀物的垂向分布在近地面服从指数函数递减规律,向上服从幂函数递减规律,并且风速越大,指数函数规律递减层的高度越大。     

防护林降解近地表沙尘的风洞模拟研究

在总结前人研究的基本理论基础上,依据相似性理论,采用风洞模拟实验的方法,研究不同结构类型防护林降解近地表沙尘的基本规律及特征。研究结果表明：防护林内不同位置降尘量分布规律是第二：条林带后或第二网格内降尘量最多,然后依次减少。在同一网格内风速低时,从网格的前端到后端降尘量在逐渐增加;风速高时,网格中间降尘量少,两端降尘量多。从每一点的绝对降尘量来看,网格的前端是高风速降尘量人于低风速,中间往后是低风速的降尘量大于高风速降尘量。     

影响土壤风蚀主要因素的风洞实验研究

利用风洞实验技术,对影响土壤风蚀的诸因素进行模拟实验,进而定量或半定量地确定各因素在风蚀过程中的作用与关系。土壤风蚀是由自然因素和人为因素相互作用的综合产物,人为因素作用是叠加于自然因素作用之上的加速过程,实验表明,由人为因素引起的风蚀量占总风蚀量的78.6％,而自然因素只占21.4％。     

地表风蚀物理过程风洞实验的初步研究

本文介绍了研究地表风蚀物理过程中风洞实验的方法、内容及结果。实验表明:净风对土表的风蚀作用微弱,即使在遭到大风吹刮时,土表的结壳仍不易受到破坏。但在挟沙气流作用下,却能使土表结壳遭到破坏,风蚀发展异常迅速。自然形成的土表结壳、经风选被粗化的土表和长有草丛的地表均有抑制风蚀的保护作用。本实验在方法上虽属初步尝试,但能说明沙漠化物理过程的一般机制,并为防治按漠化的措施提供依据。     

横向沙丘气流平均速度变化规律的风洞模拟

在沙丘动力系统中,存在沙丘形态、气流、沙粒运移三者之间复杂的相互作用。通过风洞实验的方法,针对不同形态的6组横向沙丘模型,采用粒子图像测速系统,测量了模型沙丘周围气流水平速度和垂直速度的变化规律。实验结果表明,横向沙丘迎风坡水平气流存在1.28～1.89之间的加速率,垂直气流存在上扬趋势,这二者均有随沙丘迎风坡坡度增大而增大的趋势。在横向沙丘背风坡,由于气流的分离,水平气流速度减小并出现反向,其大小约为自由风速的17％;垂直气流速度存在下沉趋势,其最大沉速出现在气流重附点附近;背风坡气流速度的变化受沙丘迎风坡坡度影响较小,受自由风速的影响较大。沙丘对气流速度的改变在近地层较为显著,随着高度的增加地形影响逐渐减小。     

半湿润地区农田土壤粉尘释放的风洞模拟研究

采用风洞模拟手段对地处半湿润区的北京市农田土壤风蚀中的粉尘释放规律进行研究。结果表明,研究区农田粉尘释放强度随风速增大呈指数规律增大,粉尘在风蚀物的含量随风速增大呈指数规律降低。近地表粉尘质量流量随高度增加呈幂函数规律降低,在风蚀物中的含量随高度增加呈线性增大。粉尘粒径随风速增大而变粗,之后达到稳定状态。近地表粉尘粒度组成沿垂直方向的变化可以划分为两段,0～20 cm高度层的双峰态分布和20～60 cm高度层的三峰态分布。随着高度增加,释尘粒度组成变细。     

中小比例尺风洞模拟理论的研究与应用综述

围绕中小比例尺模型的划分、理论依据、精度范围、粗糙度增强与变形技术,综述近50年来风洞模拟中的理论研究与应用。阐述了各类主要的中小比例尺模型模拟中,基于雷诺数无关的原则,采用传统的表面粗糙度增强技术、高精度数字化地形雕刻技术以及变形比例尺技术,在污染物扩散、风资源评价、风力侵蚀与沉积、森林火风险预报等方面的应用。由于变形比例尺理论的薄弱,研究结果存在许多争议。中小比例尺风洞模拟涉及空间流场的时空概括与转换,未来应加强该领域的深入研究。     

特大风区防翻车挡风墙工程设计的风洞实验研究

在我国新疆特大风区为防止火车车辆倾覆设置挡风墙。实验测定挡风墙的表面压力分布、最佳疏透度、路基高度和不同轨心距的挡风墙合理高度等指标，挡风墙工程以高３ｍ紧密结构矩形体为宜。     

直立植被粗糙度和阻力分解的风洞实验研究

直立植被覆盖的床面上,由于直立植被消耗风动量,裸露床面上的剪切力因之降低,从而抑制风蚀。在风洞中用圆柱形木棒模拟直立植被,研究了地表总阻力系数C_D、直立植被阻力系数C_f和粗糙度z₀及其影响因素。实验结果表明,直立植被高度和密度对地表总阻力系数C_D和粗糙度z₀都有影响,但是程度不同。地表总剪切力分解为作用在直立植被上的剪切力和作用在裸露地表上的剪切力,表达式为τ=F_r/S+τ_s·S'/S。随着植被密度和高度增加,作用在植被上的剪切力增加,而作用在裸露地表上的剪切力减少。当侧影盖度L_c≥0.03时,τ_s可以忽略不计,用C_D=2u_*²/ u_z²+C_fL_c计算植被阻力系数C_f。计算出的直立植被阻力系数C_f与1/√L_c之间成线性关系,而与AR无关。这与Marshall在风洞中通过直接测量粗糙元的阻力计算出的粗糙元阻力系数遵循类似的规律。地表总阻力系数C_D与粗糙度z₀之间较好的相关性说明,只要采用适当的测量方法,用曲线拟合方法获得直立植被覆盖地表总阻力系数C_D和粗糙度z₀是可靠的。     

沙坡头铁路防护体系阻沙效益风洞实验研究

利用野外风洞,对沙坡头铁路风沙防护体系各组成要素的阻沙率和流沙的输沙率进行了模拟实验研究.在同一风速下,分别测定了野外、风洞同一项目对应的风速梯度,确定了风洞实验数据与野外实测数据的转换系数,实现了数据转换.在此基础上,分析了防护体系各要素阻沙效益.以输沙率、阻沙率概念为基础,确立了风沙防护体系宽度计算公式.根据风洞实验转换数据,计算了不同风速下的防护宽度.研究结果对于我国荒漠区铁路、公路风沙防护体系的设计,具有一定的借鉴意义.     

风洞实验方法在沙漠学研究中的应用

风沙运动和防治风沙、风雪流工程等的模拟实验研究表明,风洞实验技术应用于沙漠学研究中,进行半定量、定量的测量,可以提高研究水平,更好地解决生产实践任务。     

不同下垫面对风沙流特性影响的风洞模拟研究

通过对戈壁、草方格和流沙地表风沙流特性的风洞模拟实验,探讨不同性质下垫面对风沙流结构和风沙活动层风速廓线的影响,从而为野外工程防沙的优化设计及其应用提供理论依据。实验结果表明：戈壁地表风沙活动层主要集中在距地表20cm高度范围内;由于沙颗粒与戈壁地表的砾石发生碰撞．输沙率随高度的分布不再简单的遵循对数关系,其极值出现的高度随风速的增加而上移。由于草方格构成的下垫面复杂多变,其对风沙流结构与风沙活动层风速廓线的影响很难确定。但对于特定的下垫面,在不同风速下．同一高度层含沙量具有很大的相关性。