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。     

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％。     

不同砾石覆盖度床面蚀积过程的野外风洞实验研究

野外风洞实验表明,砾石床面具有捕沙和过沙的双重功能,砾石床面的输、阻性质是不同覆盖度与风动力耦合的结果。当砾石盖度小于20%时,床面基本以风蚀作用为主;当砾石覆盖度在30%～50%时,低风速条件下(<10 m/s),床面以强烈风积作用为主,高风速条件下(>12 m/s),床面以强烈风蚀为主,其间[(10～12)m/s]床面趋于蚀积平衡状态;当砾石覆盖度大于60%时,随着风速的增大,床面蚀积量变化不大。研究结果可应用于莫高窟顶沙砾质戈壁的风沙防治,为风沙工程增添新的思路和新技术。     

几种化学固沙材料抗风蚀的风洞实验研究

以几种常用的化学固沙材料为研究对象,对其固结层与风蚀量关系进行了风洞实验。为指导现场施工提供了依据。     

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。     

海岸湿沙表面风沙传输特征的风洞实验研究

通过湿沙表面风沙传输的风洞实验,研究了湿润海岸风沙流的垂直结构、输沙率随风速与表层湿度的变化规律。输沙测量使用60 cm高直立式积沙仪,湿度（M）为沙面表层1 mm厚的重量湿度值。结果表明,湿沙表面的输沙量和高度呈指数关系。一般,湿度增大,整体输沙率降低,高湿度床面的沙粒有相对更大的比例被传输到更高的位置。比起低湿度（M＜0.587%）沙粒,高湿度（0.587%＜M＜1.448%）沙粒的垂直运动对湿度变化的影响更加敏感,尤其是在跃移层的底部,当M＞1.448%时,输沙率已经很低,小于0.99 g·cm-1·s-1。伴随湿度0.587%和1.448%的过渡,风沙流垂向分布被分为3个不同坡度的区域,曲线坡度反映了沙粒间不同水分存在形式的影响差异。对于跃移沙粒,高湿度表面（M＞1.448%）仅起到了一个传输平台的作用;当表面变干到某种程度（M=0.587%）之前,表面湿度是跃移运动的主要控制因子,然后风速才重新开始影响输沙。     

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。     

新疆和田河流域灌丛沙堆风洞流场的实验研究（Ⅰ）

灌丛沙堆是一种重要的风积地貌类型,风力、沙源、植物是影响灌丛沙堆发育的主要因素。依据风沙运动实验相似理论,以新疆和田河流域实测的灌丛沙堆数据为基础,按40∶1的比例缩小制作成无植被“灌丛沙堆”模型,在风洞中选用区间在6~14 m\5s-1的5组不同风速分别对沙堆模型作纯气流模拟实验流场观测,探讨在不同风力作用下灌丛沙堆表面的流场结构变化特征。模拟实验表明,气流在半球形沙堆迎风坡下部受到正面风压影响有较明显反射涡流,丘顶具有高速气流风蚀区域,而圆锥形沙堆迎风坡气流均匀爬坡加速,背风坡涡流强盛,因此两者在无沙情况下的纯气流流场结构特征、沙堆形态动力平衡特点有较明显差异。     

海滩湿润沙面起动摩阻风速的风洞实验

风蚀是一种重要的地貌过程和地质灾害,它影响海岸沙丘的增长,加速土地沙漠化并危害沿岸建筑。沙面湿度强烈影响沙粒的临界起动风速和沙面稳定性,因此,也是影响风蚀过程的一个重要因子。本项风洞实验使用华南热带湿润海岸的海滩沙,研究了表面湿度（1 mm 深）对海滩沙风蚀起动的影响,建立了一个新的预测热带湿润海滩湿沙起动摩阻风速的模型,该模型指明给定粒径下,湿沙的起动摩阻风速随ln100 M（M,重量湿度）线性增加。初步评价了7个预测湿沙起动摩阻风速的模型。实验结果表明,各模型的预测结果间存在着很大差异。在0.0124(M1.5)的湿度下,不同模型预测的湿沙起动摩阻风速比观测的干沙起动摩阻风速大了34%~195%。在湿度小于0.0062(0.5 M1.5)时,Chepil 和Saleh的理论模型和实验数据很吻合;在湿度大于0.0062(0.5 M1.5)时,Belly的实验模型和实验数据更趋一致。     

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。     

敦煌莫高窟窟前林带防护效应的风洞实验

洞窟环境包括窟内的温度、湿度、光照、气流等环境因素的适宜程度,对保护洞窟内的壁画和彩塑是十分重要的。洞窟环境不仅因洞窟所处的位置、大小、型制、有无窟门及窟门形式等而异,而且与窟外整个大环境密切相关。不同风况对洞窟内的气流交换起着重要的作用,也是造成石窟壁画彩塑风沙尘粒沉积、崖面风蚀的主要原因。通过风洞模拟实验,从窟前流场、洞窟环流、崖角形状及其受力等几个方面研究了窟前林带的防护效应和崖角防风蚀机理。结果表明：从控制洞窟水汽因素来讲,窟前以通风结构林带最佳,疏透结构林带次之,紧密结构林带欠佳。控制窟前林带灌溉强度,建立多次、少量的窟前林带灌溉制度,同时,在偏东风条件下尽量减少对窟前林带的灌溉,是控制林带生长和底层洞窟侧渗的重要一环。考虑到促进洞窟自然通风的需求,采用一定疏透度的窟门和采取必要的强迫通风,能够较大改善洞窟的自然通风和环境适宜状况。     

新疆和田河流域灌丛沙堆风洞流场的实验研究（Ⅱ）

摘要: 依据风沙运动实验相似理论,以新疆和田河流域实测的柽柳沙堆形态数据为基础,按40∶1的比例缩小制成半球形和圆锥形模型,并在模型顶部模拟人工“植物灌丛”,选用起沙风速区间在6~14 m\5s-1的5组不同的风速分别对半球形灌丛沙堆模型和圆锥形灌丛沙堆模型在风洞中作纯气流流场模拟实验,以探讨植物在灌丛沙堆绕流结构形成中的作用。模拟实验表明,无论沙堆基本形态如何变化,沙堆顶部的植物都增加了沙堆表面的粗糙度,对翻越沙堆的绕流气流阻滞消能,消除了裸露沙堆顶部常见的强风侵蚀区域,并加强了背风坡涡流影响范围,这种流场结构变化必将影响沙堆前后风沙流的结构特征。因此,植物的存在将更有利于截留沙尘、促进沙堆增长,植物在沙堆发育过程中起着十分重要的作用。     

柽柳灌丛沙堆三维流场随背景植被变化的风洞实验

以塔克拉玛干沙漠南缘沙漠-绿洲过渡带广泛分布的柽柳灌丛沙堆及丘间地植物为原型,依据风沙运动相似理论,制作5组背景植被盖度灌丛沙堆模型,在风洞中进行风流场变化规律模拟实验。结果表明:柽柳沙堆三维流场结构可划分为6个区域,即沙堆前减速区、沙堆迎风坡加速区、沙堆两侧急流区、沙堆背风侧强涡流区、沙堆后尾流恢复区和沙堆上空混合加速区。灌丛沙堆对流场结构影响范围为沙堆前10H到沙堆后14H区段,旁侧影响宽度不超过沙堆宽度的3/4,垂直方向上主要影响灌丛沙堆总高度相对应的下方区域,最大不超过灌丛沙堆总高度的2倍。风速变化不构成对流场结构的影响,但背景植被变化对流场结构影响明显。随着植被盖度增大,沙堆前减速区和沙堆后尾流恢复区范围扩大,两侧急流区和背风侧涡流区范围缩小。背景植被的出现明显降低了其所在高度层的风速,柽柳沙堆各分区地表加速率均随背景植被盖度呈指数规律下降,当植被盖度在16%时加速率变化趋于平缓。从维护绿洲安全的角度出发,根据风沙动力学原理可将16%视为灌丛沙堆科学保育中可能的临界背景植被覆盖值。     

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。     

不同带宽的防风固沙林流场结构及防风效能风洞实验

林带宽度是防风固沙林建植时要考虑的基本参数,研究不同带宽林带的防护效果对防风固沙林配置及构建具有重要的指导意义。通过风洞模拟实验,在7、10、15 m·s^-1风速条件下,对单行一带（Ⅰ型）、三行一带（Ⅱ型）、六行一带（Ⅲ型）和九行一带（Ⅳ型）共4种带宽的林带的迎风面、带中和背风面的风速进行了测定,分析了4种林带的风速流场、风速加速率和防风效果。结果表明：（1）4种林带流场结构和垂直风速变化规律相似,沿来风向均形成了林带上方和迎风面林缘附近的小范围高风速区及其后的风影区相互组合的流场结构;依据风速垂直变化规律划分为上部变化层（高度30~60 cm,受林带的影响最小）、中间变化层（高度5~20 cm,风速受林冠遮蔽作用,影响最大,且为风影区形成层）和近床面变化层（高度1~3 cm）。（2）4种林带在垂直纵剖面上的平均风速加速率随林带宽度的增大而减小,即Ⅰ型（0.90） > Ⅱ型（0.87） > Ⅲ型（0.79） > Ⅳ型（0.78）。（3）4种林带的防风效果为Ⅰ型和Ⅱ型林带相同,Ⅲ型和Ⅳ型林带相同,后2种林带的防风效果优于前2种林带,且4种林带的防风效能均随着风速的增大而减小。     

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%。     

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。     

风沙流中风速纵向脉动的实验研究

在4种风速条件下对风沙流中风速纵向脉动特性进行了风洞实验研究。研究发现，风速纵向脉动很大．不容忽视；脉动绝对大小随进口风速提高有增强趋势，随着高度的增加则变化不大；垂线脉动强度平均值随主流速度基本成正向线性关系；以脉动强度与当地风速之比表示的相对脉动强度随高度增加而降低，并且不同风速条件下相对脉动强度在床面附近相差较大，远离床面则趋向一致。另外，采用幂函数形式可较好地描述风沙流中平均风速的垂线分布。     

高速公路透风型挡风墙不同位置防风特性的数值模拟研究

应用FLUENT软件对侧风影响下高速公路汽车运行时的气动特性进行了三维稳态数值模拟,研究了透风型挡风墙在不同位置时汽车气动侧向力系数、升力系数及倾覆力矩系数随横摆角变化的特征,并与不设挡风墙的流场特征进行了对比。结果表明,修筑透风型挡风墙能够有效地减弱侧风对小轿车的作用力;同一侧风状态下,透风型挡风墙的不同修筑位置对应不同的汽车的气动侧向力系数、升力系数及倾覆力矩系数。汽车运行速度为120 km·h-1,横摆角为31.0°或36.9°时（侧风风速为20 m·s-1和25 m·s-1）,透风型挡风墙最佳的修筑位置为距离路肩2.1 m,此时的倾覆力矩系数最小;当横摆角为42.0°或46.4°时（侧风风速为30 m·s-1和35 m·s-1）,透风型挡风墙的最佳修筑位置为距离路肩2.4 m。     

柽柳灌丛沙堆及丘间地蚀积分布随背景植被变化的风洞实验

以塔克拉玛干沙漠南缘沙漠-绿洲过渡带广泛分布的柽柳灌丛沙堆及丘间地植物为原型,依据风沙运动相似理论,制作背景植被盖度依次为0%、4%、10%、16%和26%五组灌丛沙堆模型,在风洞中进行蚀积变化规律模拟实验。结果表明：柽柳灌丛沙堆及丘间地蚀积分布可划分为6个区域,依次为沙堆前积沙区、沙堆迎风坡风蚀区、沙堆两侧风蚀区、沙堆背风侧涡流积沙区、沙堆后尾流积沙区和不受沙堆影响区。随着指示风速增大,沙堆前积沙区和尾流积沙区范围缩小而沙堆两侧风蚀区面积明显增大。随着背景植被盖度的增大,沙堆前积沙区和尾流积沙区范围增大而沙堆两侧风蚀区范围明显减小。灌丛沙堆及丘间地整体风蚀面积比、风蚀率、各分区蚀积强度均呈指数规律递减。背景植被盖度为0%时,灌丛沙堆影响区风蚀率明显高于不受沙堆影响区,说明裸露地表条件下灌丛沙堆的存在会加剧地表风蚀;当背景植被盖度为4%~16%时,灌丛沙堆影响区风蚀率均低于不受沙堆影响区,可见丘间地植被存在可使灌丛沙堆起到一定的防风阻沙作用。当背景植被盖度>16%时,柽柳灌丛沙堆及丘间地整体蚀积强度和风蚀率变化趋于平稳。据此认为维持不低于16%的背景植被覆盖,是沙漠-绿洲过渡带柽柳灌丛沙堆科学保育的关键。