用创新思维破解风沙运动机理——两种理论体系核心的剖析

从地理学视角首次将风沙运动分解为内核和外延两部分,提出沙粒起动是风沙运动的内核,将沙粒起动后的一切输移表现界定为外延。流体起动和跃移质冲击起动是构成内核的两个实体。利用这一创新理念,对风沙物理学和风沙地理学两种理论体系的不同核心展开讨论。结果表明:能否区分内核两个实体的不同本质属性和能否摆正两个实体的互动机理是导致两种理论不同核心的形成和出现许多分歧的根源。本文深化了对风沙运动内涵的理解,从理论上突破了R.A.拜格诺长期用一扬一贬沙粒两种起动观引领沙坛学术潮流的核心理念。     

非均匀沙的跃移计算

 为研究更加接近实际情况的风沙运动,并为实验研究提供一些理论分析和数值资料,本研究用数值计算的方法模拟了几种不同粒径分布方式相应的风沙跃移运动。分别计算了沙粒为单一粒径,以及粒径数学期望为该值时的伪随机分布和均匀分布共7种情况下的风沙跃移运动。计算结果表明,对于相同风速,气流对单一粒径组成的均匀沙的携带能力较弱,而对由多粒径组成的非均匀沙的携带能力较强。同时,因沙粒粒径组成的改变导致当跃移运动达到饱和时,风沙流饱和层的高度和沙粒的跃移长度、高度均有所变化。     

稳态风沙流中瞬态输沙特征

风沙流中沙粒运动在来流风速不变时也会表现出非稳态特征。在风洞内利用粒子图像测速系统（PIV）测量了风沙运动的时间序列,并基于PIV测量技术提出风沙流中沙粒平均直径、数密度、平均水平速度和输沙通量等参数在某一时刻的计算方法,其中输沙通量的计算考虑沙粒大小垂向分布的影响。结果表明：来流风速不变时,沙粒平均直径、数密度、平均水平速度和输沙通量随时间具有明显的波动性;沙粒平均直径和平均水平速度的标准偏差一般随高度增加而增加,沙粒数密度和输沙通量标准偏差随高度增大而减小;这些参数的相对标准偏差均随高度增加而增大。     

风沙流中不同粒径组沙粒的输沙量垂向分布实验研究

在非均匀沙床面上, 风沙流中不同粒径组沙粒的输沙量垂向分布, 是非均匀风沙运动研究的重点。研究首先通过风洞实验, 收集了风洞中垂线垂向输沙量分布沙样, 然后对集沙沙样进行了沙粒粒度分析实验, 实验分析结果得出了不同粒径组沙粒的输沙量垂向分布规律, 基于稳定平衡风沙跃移运动模型和本文实验结果, 最后数值模拟研究了不同粒径组沙粒输沙量垂向分布, 与沙粒起跳速度和角度之间的关系。本文研究结果得出, 在非均匀风沙流中, 粗粒径组沙粒垂向输沙量上部符合指数递减分布但近床面区偏离指数分布, 呈现为偏大型分布, 粗粒径组对应的沙粒起跳速度和角度分布均为指数函数; 细粒径组沙粒垂向输沙量在整 个高度上均符合指数递减规律, 细粒径组沙粒对应的起跳速度分布为指数函数, 起跳角度分布为高斯函数。沙粒的平均起跳速度, 在0.4u*~2.2u* 之间变化, 随着气流风速(u*) 和沙粒粒径的增加而减小。     

风沙运动的动态摄影实验

风力作用下，地表沙粒运动，特别是沙粒的跃移运动是造成各种风沙危害的重要原因，而风沙运动又是从固体颗粒—气体，这种二相流的一个重要的研究分支。因此，在国内外曾引起不同学科的众多学者的极大关注，进行了大量的室内外实验研究和理论上的探讨。尽管如此，风沙运动过程在许多方面至今还没有搞清楚。然而，要想深入了解     

沙纹弹道成因理论评析

运用风沙地貌蚀积原理对长期风靡于风沙地貌学研究领域的R·A·拜格诺跃移质冲击起动学说进行了评析,在肯定该学说正确方面和历史贡献的同时,对其中的沙纹弹道成因理论提出了异议。在分析弹道理论特点后认为,跃移质等量、等高、等距的三等特性是拜氏冲击起动学说在沙纹成因上的具体运用和观点的集中体现。分析认为沙粒跃移特性轨迹只存在于少量的跃移质中,且很少具有连续性;它不能取代普遍存在于风沙移动之中沙粒的3种运动形式,也无法体现沙粒两种起动的相互关系和沙粒在移动中所表现出来的高低不一,移距长短不同的差异性和分选性。评析强调沙粒起动和沙粒运移的多样性,在寻求它们的规律时,不应简化其多样性,或追求运动的单一性和特殊性。实验证明,沙纹无论在初始的形成阶段,还是在后续的演进阶段,均有风力起动和冲击起动的参与,而不是跃移质单一冲击的结果。沙纹有规则的排列主要是贴地夹沙气流周期性脉动的反映,而不是跃移质特性轨迹的重演。     

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。     

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。     

沙源供给条件对风沙流结构的影响

 针对风沙运动的气固两相流特点,利用FLUNET 软件,对不同沙源供给条件下各种床面的风沙积蚀平衡进行了数值模拟,给出了风速分布和沙粒体积分数随沙源供给条件和下垫面变化的线图,比较了流动边界条件对流场的影响。计算结果揭示了风沙运动中沙粒的体积浓度分布在风速变化和床面形态变化下的变化规律,为沙漠化的防治和理论研究提供了基础。     

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。     

碰撞激起沙粒的起跳初速度分布函数

本文根据已有粒/床碰撞研究得出的基本定性结论以及组合论的基本原理,给出了风沙流中碰撞激起沙粒的起跳初速度分布函数,该函数服从瑞利分布的形式。以这一起跳初速度分布函数为基础建立风沙耦合跃移运动的基本模型,计算了单宽输沙率等风沙运动机理研究中普遍关心的物理量。将计算结果和已有实验结果对比分析表明,本文给出的起跳初速度分布函数是科学的,这对风沙流中沙粒起跳初速度分布函数给出了一个定性的认识。     

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。     

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。     

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。     

策勒绿洲—沙漠过渡带风沙流挟沙粒度的垂直分异

在策勒绿洲一沙漠过渡带选取流动沙地、半流动沙地两个典型下垫面,采集下垫面地表0~1 cm沙样,利用梯度集沙仪收集风风沙流中垂直高度层中1~20 cm的沙通量,利用mastersizer2000分析所收集沙样的粒度。结果表明研究区风沙流挟沙粒度的垂直分布特征为:沙粒平均粒径随高度增加而减小,风沙流中沙粒的平均粒径小于床面沙粒平均粒径。其中粉沙含量随着高度的增加,其相对含量呈现幂函数增加,极细沙和细沙含量随高度的增加呈幂函数规律递减。风沙流中平均粒径(φ)值在3.58~3.81;分选系数集中在0.46~0.55,分选性较好;偏度值变化范围为-0.006~0.1,峰度变化值在0.94~0.96。半流动沙地风沙流中平均粒径小于流动沙地,分选性较好。平均粒径(φ)与分选系数、峰度和偏度均呈正相关,分选系数与偏度、峰态间呈现正相关,峰态与偏态之间呈现正相关。研究区沙粒主要以细沙、极细沙和粉沙为主,分选性较好,沙粒粒径分布符合正态。流动沙地较半流动沙地风蚀程度大,地表沙粒粒径粗。策勒地区地表风沙来源主要为风成沙,沙粒运动方式以跃移质为主,悬移质次之。     

新疆策勒绿洲-沙漠过渡带地表沙物质理化性质空间差异

植被盖度、地形等会对荒漠区风沙土壤理化性质产生影响.对策勒自流沙前沿沿主风向到绿洲边缘的柽柳沙堆顶部、流动沙丘顶部、裸露平沙地3种地貌部位表面沙物质理化性质分析,结果表明:流动沙丘顶部沙物质平均粒径3.47～2.6 Φ,明显粗于裸露平沙地和柽柳沙堆顶部沙粒,从流沙前沿到绿洲边缘沙物质有细化趋势,流沙前沿平沙地上沙粒平均粒径比绿洲边缘裸露平沙地沙粒平均粒径粗0.44 Φ;在空间上沙物质分选系数差异不大,分选性都为中等偏上-中等;平沙地和流动沙丘顶部沙粒偏度为-0.06～0.06,相对于平均值分布近对称.柽柳沙堆顶部沙粒偏度分布在0.05～0.25,大都属于极细偏;流动沙丘顶部和平沙地沙粒都表现为中等峰态,柽柳沙堆顶部沙粒大多表现为窄峰态.柽柳沙堆顶部大部分沙物质pH为酸性,其余地貌部位沙粒都表现为碱性,3种地貌单元含盐量与地形高低关系较密切.不同地貌部位地表沙物质总盐量表现为:柽柳沙堆顶部 > 裸露平沙地 > 流动沙丘顶部,流动沙丘顶部沙粒含盐量最少,越靠近绿洲柽柳沙堆顶部沙粒总盐量愈高.     

近40年中国海岸风沙地貌研究回顾

基于20世纪80年代后中国海岸风沙地貌研究的主要发展,总结了包括海岸风沙地貌类型、发育模式、风沙运动、沉积特征、发育演变及海岸风沙防治等中国海岸风沙地貌研究的主要进展,并针对当前研究存在问题提出了包括海岸风蚀地貌调查、风沙地貌形态动力学机制、波浪-海滩-沙丘相互作用、风沙地貌发育演化与全球变化以及海岸风沙资源利用与防治...     

海岸风沙流中不同粒径组沙粒的垂向分布模式

通过对河北昌黎黄金海岸沙丘风沙流的野外实地观测与室内风洞模拟实验数据的数值模拟,探讨了我国典型海岸沙丘风沙流中不同粒径组沙粒输沙量的垂向分布模式。结果表明,河北昌黎黄金海岸沙丘表面风沙流中不同粒径组沙粒输沙量的垂向分布特征并不一致,其中细沙和中沙符合典型的指数递减分布规律,但粗沙则为负幂函数分布。究其原因,主要与不同粒径组沙粒输沙量的分布高度及运动方式差异有关。在实际非均匀沙床面上,粗沙主要集中分布于沙丘表面4cm高度内湍流发育的近地表层,运动方式以蠕移为主,沙丘表面湍流的主导作用使其输沙量随高度的变化满足负幂律关系,但中沙和细沙则以跃移运动为主,跃移沙粒输沙量的垂向分布呈现指数递减特征。     

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。     

风沙物理学中两个焦点问题研究现状与未来研究思路刍议

风沙物理学经过数十年的发展与完善,可以说基本上自成体系。但由于学科的起步较晚,加之现象的复杂性,目前仍有很多重要的理论问题没能彻底解决,至少还未达成共识,成为学术界长期以来争论的焦点,从而影响了学科的继续发展。对“沙粒起动机制”和“风成沙纹的形成机理”两个焦点问题在进行研究现状剖析的基础上,浅析未来研究思路。提出沙粒起动主要驱动力是驻点升力的观点,以空气动力学理论为基础的沙粒起动机制研究将是未来该领域的发展趋势;关于沙纹的形成,认为沙粒粒径的不均匀性以及所导致的非平衡运动是前提和基础,风沙流运动过程中类似左右沙丘运动的蚀积转换规律是使沙纹能够维持其稳定形态的必要条件,而沙纹有规律、整齐划一的分布与排列可能与背风面气流小尺度的涡流有关。