新月形沙丘表面风速廓线与风沙流结构变异研究

在风沙地貌学中,跃移沙粒与风场的耦合作用下,其最直观的表现形式为风速廓线和风沙流结构的变异。通过对塔克拉玛干沙漠腹地新月形沙丘迎风坡坡脚、沙丘顶部、沙丘的两个兽角前端、沙丘背风坡坡脚5个典型部位的风速廓线和风沙流结构进行了实地观测,并与参照点（丘间粗沙地）的风速廓线和风沙流结构进行了对比。发现受地形扰动作用,沙丘背风坡坡脚处和沙丘的两个兽角前端的风速廓线形式均呈现非对数形式分布。除迎风坡坡脚处风沙流结构与参照点处相似之外,其余各个部位风沙流均表现出不同于参照点的结构形式。直接采用曲线拟合方法对风沙流结构函数进行拟合,并针对有明显分段现象的风沙流结构形式,采取分段拟合,并对造成风速廓线和风沙流结构变异的原因进行了讨论。     

库布齐沙漠南缘抛物线形沙丘表面风沙流结构变异

对库布齐沙漠南缘抛物线形沙丘表面气流和输沙率的野外观测和分析结果表明,沙丘表面约90%的风沙输移集中在距沙面0.10 m高度范围内,输沙率随高度递减的形式在沙丘各部位因风速、下垫面状况和坡面形态不同而发生变异。沙丘迎风坡坡脚因出露坚硬、含砾石地表,颗粒跃移高度大,风沙流上层相对输沙率大;迎风坡沙粒沿坡向上运动,颗粒跃移高度减小,风沙流中近地表相对输沙率大;沙丘背风坡沙粒沿坡向下运动,加之来自丘顶变型跃移物质的影响,风沙流上层相对输沙率较大;脊线受迎风坡各个断面地形差异的影响,各观测点间风沙流结构差异显著。风沙流结构在迎风坡和丘顶均遵循指数递减规律(Q=aexp(-z/b)),其中,指数函数拟合中系数a与输沙率具有良好的幂函数关系,随风速增加而增加,但二者关系较弱;b与二者无相关性。背风坡风沙流结构具有明显的分段现象,以0.10 m高度为界,下层符合指数函数,上层符合幂函数。     

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。     

两种典型高等级公路路基断面风沙过程的风洞模拟

高等级公路路基中央构筑物不同,对路基断面风沙输移-堆积过程产生的影响不同。选取两种典型高等级公路路基,对其风沙输移-堆积过程进行了风洞模拟试验。结果表明：当路基模型高度为4 cm（路基模型与实际路基比例为1∶100）时,随着风速增大,防眩板路基背风侧积沙范围增大较为明显;在相同风速条件下,防眩网路基两侧积沙范围较大,对应的工程防护范围也应较大。当路基模型高度为8 cm时,防眩网路基路面积沙较多,背风侧积沙范围较大。路基越高,相应的工程防护范围应设置的较大一些,并加强对路基迎风坡的维护。建议在两种高等级路基背风侧5H（H为路基高度）以外范围增设风沙防护设施,尤其是防眩网路基,防止沙粒堆积被反向气流携带上路,影响交通安全。防眩板路基背风坡沙物质积累较多,为了防止背风坡积沙变成二次沙源危害道路行车安全,防眩板路基背风侧也需重点防护。在主风向单一的沙漠地区,高等级公路路基中央隔离带的防眩设施宜选择防眩板。     

榆靖高速公路防护体系近地面流场特征

通过野外调查及风场观测,研究了在主导风向为NW-SE时,榆靖高速公路K404处上风向植被防护体系的地面流场变化特征。结果表明:（1）风速和地形存在较好的相关性。在流动沙丘和固定沙丘迎风坡,风速放大率均为正,背风坡为负,背风坡没有产生回流,风速整体减小。风速放大率计算结果表明,愈接近地面风速的变化程度越大,风速放大率绝对值与垂直高度呈指数函数关系,风速放大率的大小与沙丘类型无关。（2）接近公路的贴地面风速显著下降,现有植被防护体系能够缓解流沙危害,植被的防风效果较好。（3）流动、半固定、固定沙丘的迎风坡地表风速廓线基本符合对数律,丘顶和背风坡风速廓线偏离对数曲线,固定沙丘粗糙度高于流动沙丘。     

古尔班通古特沙漠半固定沙垄表面风的脉动特征

利用DETI可移动测风系统,对古尔班通古特沙漠半固定沙垄进行实地观测,获取了主要风季沙垄表面7个典型部位200 cm高度的风向及距离地表20 cm、40 cm、60 cm、100 cm和200 cm 5个高度的风速系列数据。对风速和风向的脉动特征进行分析研究,发现凸起的沙垄不仅影响平均风速在沙垄表面的变化,亦对风速及风向脉动产生显著影响。结果表明,平均风速沿迎风坡逐渐增大,至垄顶达到最大,在背风坡中上部剧烈降低,随后又缓慢恢复。随着入射角的增大,平均风速在沙垄表面的变化幅度也在增大;绝对风速脉动具有与平均风速相同的变化趋势,且随距地表高度的增加绝对风速脉动值亦在增大;就相对风速脉动（阵性度值）而言,背风坡阵性度值要高于迎风坡,其中背风坡中上部是整个沙垄表面阵性度最高的部位,这与背风侧涡流的存在密切相关;沙垄背风坡风向脉动强度远比迎风坡大,随着入射角的减小,背风坡风向的偏转作用也在加强,而涡旋作用相对减弱。     

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。     

腾格里沙漠东南缘横向沙丘粒度变化及其与坡面形态的关系

腾格里沙漠东南缘的横向沙丘因断面形态不同可分为凸形和凹形两种类型。横向沙丘丘顶至落沙坡为风沙堆积区, 沙粒沿滑落面作重力下滑时, 较粗颗粒先到坡脚, 背风坡的沉积物下粗上细。沙丘迎风坡则因断面形态不同而影响沙丘表面过程。其中, 凸形沙丘迎风坡为高饱和风沙流环境, 下部有大量蚀余粗颗粒, 上部发生加积, 故下粗上细; 而凹形沙丘的迎风坡则为低饱和风沙流环境, 表面普遍风蚀, 前积纹层出露表面, 沉积物下粗上细, 实际上是背风坡沉积物重力分异结果的重现。沙丘高度与平均粒径和分选参数之间具有良好的一致性。风成床面作为一种地形, 对风沙地貌表面过程产生了重要影响, 这是风沙地貌尚须努力开拓的领域之一。     

偏西风作用下敦煌月牙泉金字塔沙山顶部风沙流初步观测研究

金字塔沙山丘体高大,形态复杂,坡面风沙动力过程实地观测困难,至今尚无坡面风沙流野外观测数据。通过新研制自动集沙仪,对偏西风作用下敦煌月牙泉北侧金字塔沙山顶部风沙流进行了实时观测,共观测8组近地表51.4 cm高度内输沙数据,各观测时段中2 m高度平均风速7.46～14.15 m·s^-1,各组观测时长18~95 min。结果表明：偏西风纵向气流作用下金字塔沙山风沙流结构与平坦地表一致,即输沙量随高度增加呈单一的指数规律递减,且风沙流主要在近地表30 cm高度内输移。风沙流结构特征值λ以大于1为主,且随风速增大而增大,表明金字塔沙山坡面过程主要表现为风蚀过程。偏西风作用下金字塔沙山风沙流中沙粒以细沙为主,平均粒径随高度增加而减小;沙山迎风坡沙粒从坡脚到沙脊线逐渐粗化,风蚀作用增强,细沙从而随风沙流搬运至沙山顶,对金字塔沙山多以细沙为主的格局形成起重要作用。     

砾石级沙粒胶结体抗风蚀效益的实验研究

塔克拉玛干沙漠腹地部分垄间地表发育了一种由众多沙粒胶结而成的大颗粒物质,称为沙粒胶结体(sand cemented bodies,缩写为SCB),其直径达到粗沙级、极粗沙级和砾石级。为了研究其对地表风沙活动的影响,本研究以野外采集的砾石级沙粒胶结体(gravel-size sand cemented bodies,缩写为GSSCB)为实验材料,在净风和挟沙风条件下进行了GSSCB覆盖沙面的抗风蚀模拟实验。结果表明:床面的蚀积状态与来流条件、GSSCB覆盖度和风速均有关,净风时所有覆盖度床面均呈风蚀状态,挟沙风时随覆盖度和风速而变化,床面可呈3种状态-风蚀、蚀积平衡、风积;在风蚀状态时,床面风蚀率随覆盖度增大以指数形式降低,随风速增大而以多种函数形式增加,抗风蚀效率随覆盖度增大而逐渐增加,但不同覆盖度范围增加率不同;挟沙风条件下呈蚀积平衡状态时的床面覆盖度临界C_b值与风速大小有关,随风速增加呈幂函数形式增加;在挟沙风条件下,覆盖度大于C_b值时床面呈风积状态,积沙率与风速的关系较为复杂,80%覆盖度床面积沙率随风速增大呈对数形式增加,但40%覆盖度床面积沙率则随风速增加呈指数形式降低。可见,由于与砾石的物理性质相近,GSSCB覆盖确实具有与砾石相类似的抗风蚀效益,并且在一定覆盖度条件下还能捕获风沙流挟沙颗粒。因此,塔克拉玛干沙漠腹地丘间地天然发育的GSSCB对于地表蚀积过程具有重要影响。GSSCB可作为一种新型固沙技术进行开发。     

脉动风场下风沙流结构的数值模拟

 基于野外观测实验和Langevin方程对风场脉动的描述, 研究了脉动风场下沙粒的跃移运动以及风沙流结构特征。结果表明,脉动风场对沙粒的跃移运动有着显著的影响,沙粒粒径越小,脉动风场对跃移运动轨迹的影响越大;考虑风场脉动时给出的风沙流结构具有明显的分层特征,并与实验测量结果吻合得更好。     

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。     

风沙运动的欧拉双流体模型参数研究

利用数值方法研究了双流体模型中动力黏度μ_s,kin、动量交换系数β和碰撞恢复系数e_ss对风沙运动的影响.结果显示:动力黏度μ_s,kin影响沙床面起沙率,动量交换系数β影响输沙率沿流程的变化,碰撞恢复系数e_ss影响输沙量的垂向分布.利用研究得到的参数,模拟风沙流运动,并与已有的诸多实验和数值模拟结果对比,结果吻合较好,说明该参数的选取可以有效地模拟风沙流运动.     

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。     

黑河中游荒漠-绿洲过渡带斑块植被区风沙蚀积强度特征

荒漠-绿洲过渡带对风沙防治具有重要作用。对黑河中游荒漠-绿洲过渡带斑块植被区2012-2015年风沙蚀积状况进行了连续观测,并选用风沙蚀积强度R_e为评价指标对风沙蚀积状况进行了半变异函数及空间格局分析。结果表明：观测期间,风沙活动由风蚀向风积方向转变,但具体日期不能仅由风沙蚀积强度R_e的频率和平均值做出判断。风沙蚀积强度R_e的半变异函数理论拟合模型均为Linear模型,块金系数0.8508~0.9616,为强变异,变异主要由风、降水、动物活动、人为扰动等随机性因素引起。风沙蚀积强度R_e的空间分布格局显示研究区以轻度和微度风蚀风积为主,且风蚀面积下降而风积面积增加,风沙蚀积强度的空间格局变化与区域地形、植被盖度、气象因素等有关。     

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。     

威连滩冲沟砂黄土的风蚀与降雨侵蚀模拟实验

 通过风洞与模拟降雨实验，研究了风力与降雨对青海省贵南县威连滩冲沟砂黄土的复合侵蚀作用。实验得出：①风蚀后的降雨使砂黄土表面在风干过程中形成了一层较为坚硬的结壳，增大了土壤的抗蚀性，降低了第二次风洞实验后期的风蚀率;②土壤水分与人为扰动是影响土壤风蚀的两个重要因素。当土壤水分较小时，风蚀率受人为扰动影响巨大;当土壤水分较大时，人为扰动对土壤风蚀的影响较小;③在持续降雨的实验条件下，砂黄土的产流、产沙量随着雨强的变化而改变。这种变化与表土的侵蚀率、可蚀性物质的多少、土壤水分以及土壤的入渗率等都有很大的关系。     

粒子图像测速(PIV)技术在风沙环境风洞中的应用

粒子图像测速技术是一种全新的非接触、瞬时、全场流速测量方法,广泛应用于流体力学实验中。笔者将其引入风沙运动研究是一个尝试,旨在为风沙物理和防沙工程研究提供新的测量手段。通过分析一系列的风洞实验结果,我们认为,在风沙流中颗粒速度分布、浓度分布、风沙地貌形成演化、防沙工程原理及应用方面,粒子图像测速技术具有一定优势,可以克服传统测量手段的某些不足。     

关于风沙流中风速廓线的进一步实验研究

总结与分析了以前学者对风沙流中风速廓线的研究成果,指出了其中的不足之处。并通过实验测出两种较典型自然沙(沙丘沙与河滩冲积沙)所形成稳定状态下风沙流中的风速廓线,提出了新的风速廓线模型。实验结果表明风沙流中的风速廓线用幂函数u=az^b拟和最佳,拟合系数均大于0.95。经验证,实验结果可靠。