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。     

尼龙网栅栏防沙效应的风洞模拟实验

通过尼龙网栅栏防风沙效应的风洞模拟实验,发现采用尼龙网制成的栅栏,其作用兼有疏透和通风两种形式,是一种比木质栅栏更优良的新材料,其最佳孔隙度为40%~45%,保护区达30H以上。其积沙效率在中速时超过70%,在特大风时也超过50%。同时,尼龙网栅栏具有一定的导沙性能,其临界角约为45°。如果超过45°,导沙效率将降低。     

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。     

直立植物防沙措施粗糙特征的模拟实验

通过风洞模拟实验研究了直立植物防沙措施的粗糙特征及其影响因素。实验结果表明,在各种一定风速条件下,对数风速廓线中的粗糙度Ｚ０ＳＦ值随植物密度的增加呈幂函数增加,幂函数的指数〈１;而在各种一定植物密度条件下,Ｚ０随风速的增大而减溃,遵循单分子增长风线的指数函数。根据实验结果建立的包含风速和植物密度两个因子的Ｚ０的双因子综合模型对Ｚ０的预测值与实验值吻合得比较好。对数风速郭线中的Ｚ０是一个反映近地表气     

包兰铁路沙坡头段防护体系前沿栅栏沙丘形态与近地面流场

防护体系前沿阻沙栅栏不仅是维持栅栏沙丘形态、阻挡流沙进入防护带内的重要屏障,还是栅栏沙丘这一独特沙丘类型形成发育的首要条件。形态测定与流场观测表明,在沙坡头铁路防护体系前沿地带,栅栏沙丘迎风坡平均坡度大于天然沙丘,背风坡坡度小于天然沙丘,背风坡水平长度与迎风坡水平长度之比约为0.7,远大于天然沙丘（0.3）。阻沙栅栏显著影响沙丘表面流场,但栅栏缺失或沙埋后栅栏沙丘与天然沙丘表面流场结构具有很大的相似性。沙丘迎风坡剪切风速均沿坡面至丘顶呈先增大、后减小的趋势,但栅栏沙丘迎风坡脚至中上部剪切风速增长速度较快,中上部至丘顶剪切风速迅速降低而且幅度较大,这种变化对栅栏沙丘的成长具有重要意义。     

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。     

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。     

塔克拉玛干沙漠腹地阻沙栅栏对垄间新月形沙丘形态的影响

阻沙栅栏是一种重要的机械防沙形式,在发挥阻沙效益的同时也影响了周边的风沙地貌的发育.塔克拉玛干沙漠腹地垄间新月形沙丘的实地测量表明,受阻沙栅栏影响,其迎风侧低矮新月形的几何形体和走向都发生了明显的变化;沙丘形态的变化模式与其自身形体大小、栅栏的水平垂直距离、当地风信、栅栏的设置走向以及栅栏已有的阻沙量大小等因素有关.阻沙栅栏对迎风侧沙丘影响的临界距离是15H(H为栅栏高度),当阻沙栅栏走向与当地的主导风向夹角α＜45°时,栅栏对沙丘移动有侧导作用.栅栏迎风侧沙丘的形态变化与栅栏对迎风侧近地表风场的扰动作用有关.     

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。     

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。     

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。     

横向沙丘背风侧气流重附风洞模拟

二次流在沙丘形成和形态维持过程中扮演着重要角色。沙丘迎风坡气流加速和背风侧气流分离是最常见的二次流形式。沙丘背风侧的二次流,尤其是气流分离形成的分离涡和气流重附对沙丘背风坡的塑造、沙丘间距和排列模式都具有重要的控制作用。因此,设计了一系列具有不同迎风坡坡度的横向沙丘模型,采用粒子图像测速技术,通过风洞实验模拟了沙丘背风侧的气流分离和重新附着。实验结果表明,当来流风速垂直于沙丘脊线时,沙丘背风侧的气流重附距离介于4\^8 H~10\^8 H之间(H为沙丘高度),最大重附距离出现在迎风坡坡度为15°的沙丘背风侧;沙丘迎风坡坡度是控制背风侧气流重附距离的主要因素,而自由风速对气流重附距离的控制作用较小。根据实验结果,还讨论了气流分离与重附对沙粒运移和沙丘形态维持的沉积学意义。     

可移动式环境风洞气动特性测试与评价

对中国科学院新疆生态与地理研究所新建的可移动式环境风洞进行了流场测试,分析评价该风洞气动特性,期望对今后的风洞实验开展有所指导。本实验在室内进行,在空洞条件下,用皮托管测量不同风速下（7 m·s-1,12 m·s-1,16 m·s-1）实验段截面风速分布沿流向的变化,测试内容包括风洞实验段的气流稳定性、横向均匀性、紊流度、边界层厚度的分布规律,并与其他环境风洞相比较。结果显示,该风洞气流稳定性系数小于1%,横向不均匀度小于2.5%,紊流度在1%左右,底板边界层和侧壁边界层分别为15 cm和10 cm,表明该风洞使用效果良好,设计合理。     

低覆盖度不同配置灌丛内风流结构与防风效果的风洞实验

 低覆盖度灌木群丛是干旱、半干旱区广泛分布且具有重要意义的植被，也是人工修复沙地应遵从的植被。通过风洞试验模拟了覆盖度在20%左右的三种水平配置格局的灌木群丛内风流结构与防风固沙效果。结果表明：①水平配置格局不同，低覆盖度灌木群丛的防风效果差异显著，行带式模式具有非常显著的阻碍和降低风速的作用（风速降低36%~43%）;等株行距模式次之，风速降低7%~28%;随机不均匀配置模式内局部有风速抬升现象，② 行带式模式内形成规整的随灌丛带波动的流场结构，而随机不均匀配置模式内形成由多个风影区和风速加速区组合的非常复杂的流场结构，等株行距模式居于二者之间。③ 带间宽度在56 cm和64 cm时的防风效果较带宽为32 cm和40 cm好。说明覆盖度降低到11%~13%，行带式模式的防风效果仍然不会降低。④两行一带配置均表现防风效果优于单行配置，且随试验风速的增大防风效果更好。     

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。     

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。     

草原区植被对土壤风蚀影响的风洞模拟试验研究

在前期研究的基础上,选择内蒙古乌兰察布荒漠草原区为研究区域,通过野外移动风洞模拟试验,开展荒漠草原植被对土壤风力侵蚀影响的定量化分析研究,旨在探讨不同植被盖度下空气动力学粗糙度的变化、不同植被盖度下的风沙流结构特征及植被盖度与风蚀输沙率的定量关系,从而为水土流失机理研究提供理论依据。试验研究表明：空气动力学粗糙度随着地表植被盖度的增加呈三次函数关系增加,拟合函数为Z0=ax3+bx2+cx+d;随着距地高度的增加,各层收集到的风蚀量呈不同程度降低,随着地表植被盖度的增加,各层输沙量也均降低;不同风速下植被盖度与风蚀输沙率之间呈幂函数相关。