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。     

影响拜格诺结的若干因素分析

给出了全面描述风沙耦合作用下沙粒跃移运动的理论模型,利用数值方法对风沙耦合作用以及空气上升力、Magnus力、静电力等因素对沙粒跃移运动和风速廓线的影响进行了研究,从而揭示出拜格诺结(Bagnold's Kink)高度与其对应的风速及沙粒跃移高度的关系。     

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。     

横向沙丘背风侧沙粒风蚀起动的风洞模拟

通过风洞实验,探讨了横向沙丘背风侧“二次流”的沉积学和形态-动力学意义。在不同迎风坡坡度的横向沙丘模型背风侧,我们观测了不同位置沙粒的起动风速以及在临界状态下沙粒的运动特征。结果表明,沙丘背风侧的颗粒起动风速不仅与其距沙丘顶部的距离有关,也与沙丘迎风坡坡度有密切关系。根据沙丘背风侧颗粒运动特征,可以将其划分为向后运动区域、晃动或摆动区域以及向前运动区域,产生这一现象的原因是在沙丘背风坡气流分离、反向涡和气流重新辐合共同作用的结果。在所有的观测结果中,迎风坡坡度为15°的沙丘具有最大的沙粒起动风速和最远的气流重新辐合距离,其原因尚需进一步研究。     

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。     

紊流风场中起跳沙粒的轨迹特征

运用颗粒流体二相流的随机行走扩散模型(DRW)研究了紊流风场下起跳沙粒的运动轨迹特性。得出了轨迹特性(长度、高度、撞击角)随沙粒的大小和风速的变化规律,发现随沙粒粒径的减小紊流脉动对轨迹的影响显著增大。粒径在200μm以下时,紊流风场下计算得的轨迹形状与平均风场下得到的轨迹有明显差异。     

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。     

沙粒跃移轨迹参数的统计研究

高速频闪摄影从实验技术上加强了对沙粒跃移运动及其参数的研究,但因拍摄沙粒的成像点不完整又存在局限性,用曲线拟合高速频闪摄影的跃移沙粒轨迹可以补足缺失的成像点。本文对高速摄影的沙粒轨迹进行曲线拟合,从拟合曲线反求出沙粒的起跳角θ₀、上升段跃高H₁、上升段跃距L₁、沉降角θ_t、下降段跃高H₂、下降段跃距L₂,并对各参数进行统计分析,得出各参数间的函数关系式,为进一步研究颗粒跃移运动过程提供基础。     

不同坡角公路路基流场的风洞实验

根据内蒙古S315一级公路黑风口路段风沙危害现状,基于风洞模拟实验,采用毕托管测定不同坡角路基模型断面的风速,通过对流场分布、风速廓线及风速减弱率的分析探讨沙漠公路风沙危害的形成机理。结果表明：坡角对路基两侧的积沙范围和风蚀强度有重要影响。风速一定时,坡角越大,路基两侧积沙范围越大,与之对应的防护范围也应加大。路基坡角一定时,路基背风侧积沙范围随风速增大整体可能呈扩大趋势,坡角越大,扩大趋势越不明显,导致大量沙粒堆积在背风坡脚附近,这就需在坡角较大的公路背风侧多设置几道阻沙栅栏和固沙方格来降低风速、防治沙害。风沙流对迎风坡脚和迎风坡肩的风蚀作用最强,在实际应用中,应重点对这两个部位进行工程砌护,以防路基塌陷造成交通事故威胁公路安全运营。     

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。     

风沙流中跃移沙粒冲击速度和角度联合概率分布风洞实验

近地表跃移沙粒速度和角度概率分布是连接风沙运动宏观研究和微观研究的桥梁,对沙粒跃移轨迹和输沙率分布有很大影响。但是,目前跃移沙粒冲击速度概率分布和角度概率分布之间的关系还不明确。使用相位多普勒粒子分析仪（PDPA）测量了风洞沙床面1 mm高度处的跃移沙粒速度,通过分析各冲击速度对应的冲击角度的概率分布研究了沙粒冲击速度和角度的联合概率分布。结果表明：沙粒冲击速度概率分布可用对数正态函数描述,冲击角度概率分布可用指数函数描述;各冲击速度对应的冲击角度都符合指数函数分布,且其衰减速度随冲击速度增加而加快。这表明,冲击速度概率分布和冲击角度概率分布之间具有很强的相关性。最后分别给出了沙粒冲击速度和角度的独立假设概率分布和条件联合概率分布。     

Experimental study on the sampling efficiency of the whirl type separation sand sampler in a wind tunnel

A performance test was conducted in a wind tunnel by changing the principal configuration parameters of a sampler such as the diameter of the container, inlet width and cone height. The results show that the average sand collection rate is from 80% to 90% when any one of the configuration parameter levels is changed. However, the variation of a parameter level results in different ef-fects on the sand collection rate for each soil sample within a certain size range of sand grains. The results show that for various sand grain sized soil sample at each wind speed, the sand collection rate decreases when the diameter of the container changes from 50 mm to 40 mm, the sand collection rate increases by about 2%-3% when the inlet width changes from 10 mm to 8 mm, and the sand collection rate increases by about 3%-4% when cone height is altered from 100 mm to 125 mm. The average sand collection rate is enhanced by 2%-4% for the soil sample of different sized sand grains when the diameter of the container is 50 mm, the inlet width is 8 mm, and cone height is 125 mm.     

土壤风蚀过程颗粒释放机理研究

针对目前土壤风蚀中土壤颗粒释放过程机理研究存在的不足,建立了颗粒在土壤表面起动、滚动、起跳的土壤颗粒释放力学模型,同时考虑了太阳辐射及地表温度产生的向上垂向风速对颗粒起动风速的影响,并采用前人的实验结果与本文模型数值计算结果进行了对比分析,证明其模型的合理性。数值结果表明：起动风速随颗粒粒径的增大先减小后增大,其中在0.12~0.14 mm粒径范围内颗粒最容易起动,同时床面温度越高对颗粒的起动风速影响也越明显,同一粒径下床面温度越高起动风速越小。颗粒在床面上的运动不是纯滚动,而是滚动中有滑动。颗粒起跳速度主要分布在0.3~0.65 m/s之间;起跳角度30°~35°之间;颗粒起跳的角速度主要分布在600~1 200 rev/s。土壤颗粒释放微观过程的研究将对改进土壤风蚀输送过程中的宏观监测与预报起到重要作用。     

风力作用下沙粒蠕移概率的转化特征

建立了沙粒从蠕移状态向静止、跳跃转化以及继续滚动的概率模型.根据滚动沙粒简化的运动方程,结合两个关键随机变量-沙床表面风速和床面位置参数,求出了静止概率、滚动概率、跳跃概率随时间变化的表达式.在此基础上通过对时间求极限得到稳定情况下沙粒处于三种运动状态的概率.利用沙粒蠕移概率除蠕移概率和跃移概率之和,得到沙粒相对蠕移概率,并以此反映蠕移输沙量占总输沙量的比例.计算结果表明,三种转移概率是时间、沙床表面风速和沙粒直径的函数.静止概率随时间增大而增大,但随粒径增大而减小;滚动概率随时间的变化根据粒径的不同表现出不同的特点.粒径较小,滚动概率随时间的增大先增大后减小,存在极大值;粒径较大时,滚动概率随时间的增大逐渐增大,不存在峰值.跳跃概率随时间的增大而增大.三种概率达到稳定状态所需要的时间随粒径的增大而减少.同粒径的沙粒在相同的时间内,三种转移概率会趋于定值.稳定概率和相对蠕移概率由沙床表面风速分布和粒径大小来确定,具有很大的取值范围;静止稳定概率和跳跃稳定概率随粒径的增大分别增大和减小;而滚动稳定概率随粒径的增大逐步先增大后减小.在一定风速条件下,相对蠕移概率随风速和方差的变化都不大,沙粒粒径是最主要的影响因素.     

盐池地区沙尘暴期间风沙运动若干特征研究

通过沙尘暴期间的实际观测资料,对宁夏盐池地区沙尘暴期间风蚀起沙的几个相关特性进行了研究。结果表明：当地10 m高度的临界起沙速度为5.0 m·s-1,临界摩擦速度为0.32 m·s-1;采用凌裕泉提出的“最大可能输沙量”计算方法,得出盐池地区沙尘暴期间的输沙量为12.42 kg·m-1;当地沙尘气溶胶粒子传输距离为1.4×10⁵~1.4×10⁶ km。     

地形对包兰铁路沙坡头段防护体系的影响

选择沙坡头铁路防护体系典型断面,利用野外风场观测与风洞模拟,讨论地形在道路防沙体系中的作用。结果表明,防护体系前沿栅栏沙丘下风向10倍沙丘高度的水平范围内,地表摩阻风速通常小于临界值;风速递减系数随防护距离的增大而增大,地形倾斜和起伏对贴地层风力减弱的贡献占防护体系风速削弱程度的43%。自流沙区至铁路路基,潜在输沙率迅速波动降低,其中地形变化使得防护体系内潜在输沙率降低50%以上。这表明,地形是沙坡头铁路防护体系发挥卓越功能的重要因素,栅栏沙丘已成为防护体系的重要构成部分。     

旋风分离式集沙仪在风洞内集沙效率的试验研究

为了改变旋风分离式集沙仪本体直径、入口截面宽度、锥体段高度的主要结构参数,在实验室风蚀风洞内分别进行了性能试验,测试了集沙仪的性能参数并进行了分析。结果表明,改变其中一个结构参数的水平,集沙仪平均沙尘收集率在80%~90%之间,而且参数水平的变化对于各粒径范围的土样的沙尘收集率影响程度不同。通过分析可得:在各风速下,对于各种粒径的土样,本体直径由50 mm改变为40 mm时沙尘收集率降低;入口截面宽度由10 mm变为8 mm时沙尘收集率提高约2%~3%;锥体段高度由100 mm改变为125 mm时沙尘收集率提高约3%~4%。对于不同粒径的土样,当分别以本体直径为50 mm、入口截面宽度为8 mm、锥体段高度为125 mm时,集沙仪的平均沙尘收集率提高2%~4%。     

斜插板挡沙墙设计参数优化数值模拟

本文基于FLUENT欧拉双流体非定常模型,对不同设计参数的斜插板挡沙墙周围风沙两相流运动特性进行了数值模拟。结果表明：挡沙墙透风率越小,积沙量越大,但沉积的沙堆越靠近挡沙墙,越容易被埋,透风率宜设计为25%～40%;插板倾角小于90°,背风侧沉沙区紧靠挡沙墙,大于90°,背风侧沉沙区与挡沙墙存在一定的距离;插板倾角在90°～135°时,大部分沙粒沉积在挡沙墙周围,防沙效果最佳,结合工程造价,倾角宜取110°～135°;背风侧有效影响范围区内,风速在水平方向与垂直方向风速轮廓线分别呈左“V”形分布与倒“S”形分布;风速一定时,背风侧空气动力有效阴影区范围随挡沙墙高度的增加而逐渐增大;挡沙墙高度一定时,背风侧沉沙区随风速的增大向下风向移动;挡沙墙高度越大,承受的风压越大,工程造价越高,综合考虑工程造价及防沙效果的基础上,挡沙墙高度建议采用1.5～2.0 m。