高速摄影技术在风沙颗粒测速中的应用研究

通过相邻图像减法获得了清晰的沙粒运动图像。在此基础上,分别提出了通过人工目视解译与计算机追踪相结合进行跃移颗粒数字轨迹追踪的多帧图像匹配算法以及更适用于计算跃移沙粒群运动瞬时速度场的两帧图像匹配算法。结果表明：与前人研究采用的单纯的人工匹配计算相比,多帧图像匹配算法在保证数据准确性的同时,极大的提高了工作效率。两帧图像匹配算法克服了传统的PTV匹配算法对流场内粒子群运动特征的要求,更加适宜于跃移沙粒群的速度测量,不仅拥有较高的匹配率,而且全过程实现全自动计算,具有较高的计算速度,能够为跃移相整体运动特性研究提供具有代表性的数据。因此,此方法有助于高速摄影技术在研究跃移沙粒运动中的优势更加明显。     

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。     

戈壁风沙流若干特征研究

本文从理论推导入手，阐述了戈壁风沙流中沙粒起跃角度、跃移高度和风沙流结构、强度、能量分布状况等特征，指出与流沙地表风沙流的显著差异，并得到风洞实验验证。     

塔克拉玛干沙漠腹地塔中地区风沙流输沙特征研究

利用多种积沙仪,通过野外实时输沙观测,对塔克拉玛干沙漠腹地塔中的地表风沙流特征进行了分析,结论如下:(1)100 cm高度范围内,总输沙量的63.1%分布在20 cm高度内,72.4%分布在30 cm高度内,随高度的增加,输沙量呈负指数函数下降;由此可见,该地区的风沙活动主要集中在近地面20～30 cm高度范围内;(2...     

风沙流中颗粒跃移研究的某些进展与问题

风沙流研究是风沙物理学的主要内容,研究方法上大致分宏观和微观研究两个方面。宏观研究着眼于风沙流的整体结构和动力学过程,微观研究侧重于单一颗粒的运动状态。宏观和微观研究相结合是解决风沙物理学中一系列问题的一条合理路线。但长期以来,由于在颗粒运动机理研究方面进展缓慢且不成熟,对联系宏观和微观研究的纽带——起跳粒子的运动状态分布的重要性认识不够,造成风沙流宏观研究和微观研究的严重脱节。本文综述国内外在这两方面的研究历史和现状,指出了现存问题和解决途径,并对风沙物理学的发展方向提出了一些建议。     

风沙床面颗粒起动临界受力平衡模型的对比分析

风沙颗粒起动的受力平衡模型是风沙起动机制研究的重要内容。根据已有的研究成果,论述风沙颗粒起动的临界条件,介绍几种代表性模型。认为,影响自然状况下颗粒起动过程的因素是复杂的,尽管对主要影响因素的作用还未获得深入的认识,但是已提出的风沙颗粒起动的受力平衡模型对于认识风沙起动过程和机理具有重要的指导和启发作用,然而这些模型往往包含了较多的简化、假设以及有待于通过实验测定的系数,所以,不能够在实践中直接应用。而且,这些模型都是在特定的条件下得出来的,其应用范围具有局限性。有鉴于此,关于风沙颗粒起动的机制研究仍有较多的创新空间。     

PIV技术及其在风沙边界层研究中的应用

为了考察粒子图像测速度技术在风沙环境风洞中的测量精度及在风沙边界层研究中的应用潜力,通过筛选适当的示踪颗粒,借助PIV测量系统重新测量了风沙环境风洞中的风廓线,并获得了风沙边界层内跃移沙粒的速度和浓度分布规律。实验结果表明：PIV测得的风速廓线与标准风速廓线仪所测结果相当吻合(R2≥0.99);沙粒跃移的平均水平速度和相对浓度（灰度）沿距离沙面高度分别呈幂函数和负指数分布,沙粒速度随高度和自由风速的增加而增大,相对浓度随高度的增加而快速衰减,风速越小衰减越快,风速越大衰减越慢,这一结果与前人的结论一致。PIV系统为将来能够进行更加精确的风沙运动微观机理研究提供了技术保证。     

库姆塔格沙漠北部三垄沙地区风沙运动特征

风沙地貌发育受控于近地表风沙运动,目前这一领域的研究较多关注短时期内（几分钟至几小时）、单一方向（正对主风向）的风沙流结构特征,结果难以与长期的地貌过程联系起来。为此,我们采用八方位四层梯度集沙仪,于2014年5月至2015年5月,在库姆塔格沙漠北部三垄沙地区进行了一个完整年度的风沙运动观测。经过6个时段的连续观测,获取了不同方向、不同高度的192个运动沙粒样品。结果表明：（1）近地表1 m高度内,收集的样品总质量为405.2 kg,其中约75.3%集中在近地表0~0.2 m,反映了近地表输沙特征。（2）平均输沙率为55.2 kg·m^-1·d^-1,风沙运动的风向以北风、东北风和西北风为主;不同季节差异明显,春季输沙率最大,是年均输沙率的2.5倍,夏季次之,冬季最小。（3）年度平均输沙通量廓线（风沙流结构）呈指数函数递减趋势,部分通量廓线出现了戈壁风沙流的"象鼻效应"。（4）平均净输沙率1.159 kg·m^-1·d^-1,随高度增加呈递减趋势,合成输沙方向为193.2°;不同时段净输沙率随高度的变化基本与全年一致,合成输沙方向随高度增加有从东北向北偏的趋势。综上所述,该区域输沙强度以春季最为强烈,输沙方向以N、NE和NW方向为主,且春、夏两季节分别有一个次输沙方向,为S方向。本研究对于深入理解三垄沙地区风沙运动特征和揭示库姆塔格沙漠沙物质来源有重要意义。     

乌兰布和沙漠东北部风沙灾害与防护林带参数探讨

本文分析了乌兰布和沙漠东北部风沙灾害的季节性、风沙运动矢量特征及其与林带参数之间的关系。认为：当地新垦绿洲农田防护林带主带走向与ＭＷ向垂直；主带间距采用树高１０倍的保守设计；结构设计应尽可能使冬季相疏透度在０．３５附近。     

风沙流起动阶段沙粒输运特征

为了探究风沙流起动过程中沙粒输运特征,利用PTV测量技术在风洞中对风沙流起动过程进行了测量,分析了沙粒空间分布、沙粒平均水平速度、输沙率、沙粒数密度和输沙通量随时间的变化规律。结果表明：风沙流起动时间大约为1.5 s。起动过程中,输沙率随时间迅速增加,气流中沙粒总数目随时间的变化可表示为指数函数,沙粒数密度和输沙通量随高度的变化均可近似表示为负指数衰减函数。在t=1.0 s时刻的沙粒平均水平速度大于相同高度处以后时刻的沙粒平均水平速度,同一高度处t=1.5 s以后的沙粒数密度大于t=0.5 s、1.0 s时刻的沙粒数密度,同一高度处t=1.5 s以后的输沙通量大于t=1.0 s时刻的输沙通量。沙粒数密度随高度的衰减率一般随时间的增加而减小,并在t=1.5 s后逐渐接近稳定值。     

Measuring the velocity of sand particles in an air/particle two-phase flow: A comparison of several commonly used methods

The velocity of blown sand particles is an important parameter in aeolian movement （a special case of gas particle two-phase flow） and has ever been a topic of interest. At present, several techniques have been applied in measuring velocity of the blown sand particles. This paper reviews the measurement results of several commonly used methods： photoelectric cell method, high-speed photographic method, Particle Dynamics Analyzer （PDA） method and Particle Image Velocimetry （PIV） method. Photoelectric cell method, high-speed photograph method and PDA method are useful in studying the velocity distribution of particles. PIV is a whole-flow-field technique and a useful tool to study the average velocity field in a target area. These methods got some similar results but considerable differences also exist. They have come to similar conclusions on the velocity distributions at a single height but direct measurement results with respect to the velocity distribution very close to the surface are still scarce except some PDA results. The magnitude of measured mean particle velocity differs greatly. The relationship obtained by different methods between mean particle velocity and wind velocity, particle size and possibly other influencing factors also differs considerably. Although several authors have proposed similar power functions to describe the variation with height of the mean particle velocity, the predicted results have wide differences. Each technique is based on some unique principles, and has its advantages and disad- vantages. To make full use of different techniques, a lot of work needs be done to validate them. Developing a reliable technique to measure the velocity of blown particles is still a necessary task in aeolian research.     

Intermittent Aeolian Saltation: A Protocol For Quantification

The quantification of saltation intermittency—the proportion of time when sand transport occurs—provides valuable information about the nature of aeolian systems, including insights concerning threshold conditions for sand transport. Intermittency has been measured in numerous studies, but a lack of measurement standardization often makes the comparison of results difficult. Four methodological factors influence estimates of intermittency: sample frequency, sample duration, sample area, and sensor elevation. For a given transport rate, the value of intermittency may decrease with sensor elevation, increased sample frequency, or decreased sensor area; it may increase or decrease as a consequence of sample duration. We therefore simulate the influences of these factors and suggest a common protocol for measuring and reporting intermittency based on measurements at 1 Hz with 100 mm² sensor area at 50 mm elevation above the surface, or equivalent values.     

风沙流中沙粒起跳初速度分布的探讨

风沙流结构中起跃沙粒的初速度分布,是连接微观研究和宏观研究的桥梁。笔者分析了已有的实验数据,就沙质地表起跃沙粒的速度分布、角度分布进行了计算;并运用碰撞理论建立了一个二维碰撞模型。考虑边界条件的影响,运用概率论统计的思想计算了风沙流结构中起跃沙粒初速度的概率分布,并和实验值进行了对比,得到了较好的结果,对风沙流中起跃沙粒的速度分布有了一个定性的认识。     

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。     

Aeolian processes on sandy desertification of an alpine meadow: A wind tunnel experiment

In recent years,the desertification of alpine meadows has become a serious ecological problem and has gradually become a threat to regional economic activities in Maqu County.To reveal the mechanism for sandy desertification of alpine meadows,we conducted wind tunnel experiments on aeolian processes over sandy alpine meadows.Results show that the sandflux profile of mix-sized sediment decays exponentially with increasing height.However,the profile pattern of a group of uniform-sized particles depends on the experimental wind speeds.The profile pattern of all the groups studied can be expressed by exponential decay functions when the wind speed is less than or equal to 16 m/s.while that for all the groups studied can be expressed by a Gaussian distribution function when the wind speed is above 16 m/s.The average saltation heights of mixed sands at wind speeds of 12 m/s,16 m/s,20 m/s,and 24 m/s were 2.74,4.19,5.28,and 6.12 cm,respectively.The mean grain size basically first decreases and then increases with increasing height under different wind speeds.The sorting improves with increasing wind speed,while the kurtosis and skewness show relationships with only the characteristics of the parent soil.     

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。     

宁夏中部干旱带土地沙漠化评价

本文基于宁夏中部干旱带土地沙化现状,进行土地沙化敏感性和沙漠化控制重要性评价。宁夏中部干旱带土地沙化敏感性分为极敏感、高度敏感、中度敏感、轻度敏感和不敏感5级。极敏感区主要集中在与腾格里沙漠接壤的沙坡头区的北部边缘地带,高度敏感区主要分布在与毛乌素沙地接壤的盐池县、灵武市和红寺堡区的大部分地区,中度敏感区广泛分布于土地沙化极敏感区和高度敏感区的周边地区,轻度敏感区呈带状分布于中度敏感区的四周,不敏感区分布在中部干旱带最南端地区。宁夏中部干旱带土地沙漠化控制重要性分为极重要、重要、较重要和不重要4级。极重要地区位于腾格里沙漠南缘的沙坡头区,重要地区分布于毛乌素沙地西部的盐池县、灵武市和红寺堡区的大部分地区,较重要地区主要在海原、同心等县域,不重要地区面积较小,呈带状分布,位于宁夏中部干旱带的沿河地带和最南部。     

海滩养护影响下的海岸风沙堆积——以福建平潭岛龙凤头海滩养护工程为例

海滩养护工程实施后,在保护海岸抵御侵蚀的同时往往还产生其他的环境问题。尤其在强风区海岸,海滩养护造成了滩面环境的改变,使滩面风沙搬运和沉积特征都发生了显著变化。对福建平潭岛龙凤头海滩养护工程实施前后的风沙沉积对比研究表明,养护后海滩的干滩宽度、滩面沉积物粒径、表层湿度、海滩高程等环境要素变化对滩面风沙搬运与沉积过程都产生了重要的影响。主要结论为:(1)养护海滩干滩滩肩高程的提高增加了滩面风速,增大了滩面风沙输沙率;(2)养护海滩干滩宽度的增加既扩大了风区长度也为风沙搬运提供了充足的物源,且不受潮汐过程影响,提供了持续的风沙物源供给,增加了风沙作用时间;(3)养护海滩剖面形态的变化使得海滩滩面沉积物含水率减小,降低风沙起动风速,增强了滩面风沙搬运。     

A Wind Tunnel Investigation of the Shear Stress with A Blowing Sand Cloud

In a blowing sand system,the wind provides the driving forces for the particle movement while the moving particles exert the opposite forces to the wind by extracting its momentum.The wind-sand interaction that can be characterized by shear stress and force exerted on the wind by moving particles results in the modification of wind profiles.Detailed wind pro-files re-adapted to blown sand movement are measured in a wind tunnel for different grain size populations and at differ-ent free-stream wind velocities.The shear stress with a blowing sand cloud and force exerted on the wind by moving par-ticles are calculated from the measured wind velocity profiles.The results suggest that the wind profiles with presence of blowing sand cloud assume convex-upward curves on the u(z)-ln(z) plot compared with the straight lines characterizing the velocity profiles of clean wind,and they can be better fitted by power function than log-linear function.The exponent of the power function ranging from 0.1 to 0.17 tends to increase with an increase in wind velocity but decrease with an increase in particle size.The force per unit volume exerted on the wind by blown sand drift that is calculated based on the empirical power functions for the wind velocity profiles is found to decrease with height.The particle-induced force makes the total shear stress with blowing sand cloud partitioned into air-borne stress that results from the wind velocity gradient and grain-borne stress that results from the upward or downward movement of particles.The air-borne stress in-creases with an increase in height,while the grain-borne stress decreases with an increase in height.The air-borne shear stress at the top of sand cloud layer increases with both wind velocity and grain size,implying that it increases with sand transport rate for a given grain size.The shear stress with a blowing sand cloud is also closely related to the sand transport rate.Both the total shear stress and grain-borne stress on the grain top is directly proportional to the squ     

基于湍流结构的风沙颗粒起动动态演化的概念模式

从驱动沙粒群起动的湍流结构入手,提出了基于气固两相流自调节机制的风沙颗粒起动的概念模式。受风沙边界层湍流相干结构的产生、消亡、湍流的随机脉动和运动沙粒群碰撞过程的动量损失等因素的控制和影响,风沙两相流始终处于不平衡—平衡—不平衡的动态演化之中,在此过程中,存在着普通的空气动力学起动、典型的冲击起动、湍流猝发起动等多种起动方式的循环交替的动态演化。上述多种的沙粒起动方式能够根据风沙边界层边壁区的湍流运动应力和沙粒群碰撞过程的动量损失来界定。该概念模式需要综合利用相位多普勒粒子动态分析测速技术、粒子图像测速技术和高速数字摄影技术等手段来进一步验证。该概念模式的提出,将为深入理解沙粒起动的力学机制提供新的思路。