沙粒起动风速的研究

水流作用下泥沙起动实验报告

水流作用下泥沙起动实验报告第一章实验说明1.1实验目的本实验为配合河流动力学中水流作用下泥沙起动部分的教学而设置。

通过实验希望达到以下目的：1.学习在水槽中通过测量流速推算床面摩阻流速和表观糙率的方法；学习水流作用下泥沙起动条件的测定方法，通过实际观察泥沙的起动过程，加深对泥沙起动现象的感性认识；2.通过实验仪器的操作，学会用螺旋流速仪测试流速的基本方法，提高动手能力；3.结合泥沙起动相关理论的学习，加深对泥沙起动理论的理解；4.提高数据整理、分析和实验报告的编写能力。

1.2实验要求1．实验之前，预习泥沙起动的相关理论，包括Shields 理论、窦国仁公式及武水公式。

2．实验过程中仔细观察泥沙起动情况，特别注意床面泥沙运动特征随水流强度变化而变化的情况。

3．认真完成实验过程的每个环节，包括水流速度、水深、水温的数据采集等。

4．认真编写实验报告，客观、真实地记录实验过程的主要步骤，清晰表达所观测的数据，注意尽量使用图表等表达实验结果，并将观测结果与相关理论结果进行对比，最后对所取得的结果进行分析和评价1.3实验设备装置实验所需仪器和设备包括自循环波流实验水槽、沙盘、螺旋流速仪、温度计、钢尺、沙样等。

1.4实验原理1、泥沙起动标准河底泥沙在水流条件较弱时处于静止状态。

随着水流强度的增强，泥沙将出现一个由静止状态转为运动状态的突变过程，称为泥沙起动，而相应泥沙起动时的临界水流条件称为泥沙起动条件，可用垂向平均流速、床面摩阻流速或床面剪应力等指标来表征。

由于水流的脉动性、泥沙颗粒的不均匀性以及泥沙在床面上排列方式的差异等因素的影响，泥沙起动条件具有一定随机性，表现为即使是均匀沙也不会同时进入起动状态。

但从统计角度看，泥沙起动条件仍然具有确定性。

实际泥沙起动实验中，克雷默（H. Kramer）曾将泥沙起动程度划分为轻微起动、中等强度泥沙起动和普遍起动三个标准。

轻微起动时，床面只有屈指可数的沙粒开始起动；中等强度泥沙起动是指进入起动状态的泥沙颗粒数量难以计数；而普遍起动是指全部泥沙都进入起动状态，并伴随有床面变形。

非均匀风沙起动规律研究

min
=
1 (1 + η min ) 2
(2 )
由于 η是均匀分布 , 其平均值恰好为中值。对于天然风沙 ,η 的分布一般按实测床沙级配资料 , 定义概率函数 :
1 Ri 当 Ri < R 时 η : i= 2 R
Ri
-η min -η min
(12 )
2
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( 13 )
( 19 )
式中 : R i 为某组的平均粒径 ; R 为天然沙的平均粒径 ;σg 为床沙级配的均方差。
则式 (17 )和 ( 18 )变为 : u 3 t = A
ρ s - ρ ρ g2 d i
3 非均匀风沙起动公式的建立
在流体起动中 , 气流作用于单颗粒风沙的力主要有拖曳力、上升力和沙粒重力。根据刘贤万的分析 , 上升力在颗粒细小、球面光滑的假设下 , 可以忽 [ 12 ] 略。作用于颗粒上的拖曳力由两部分组成 : 一是气流和沙粒表面产生的摩擦力 , 其并不通过沙粒中心 ; 二是作用于沙粒上的风压力 , 该作用力通过沙粒中心。因此 , 拖曳力的作用一般不通过沙粒中心 , 根据拜格诺的分析 , 可用系数 β ′ 来表示对其产生的 [5 ] 影响。各作用力和作用力臂如图 3 所示。重力作用力臂为 : L G = 2 d Δ - Δ2 ,拖曳力作用力臂为 :L d i ( d i - Δ) 。 =β ′ 作用力的一般表达式如下。 1 2 ρu23 π ( 14 ) 拖曳力为 :F d = c d t di 2 4 3 (s-ρ )g π ( 15 ) 重力为 :W = ρ di 3 式中 :c d 为形状系数 ;u 3 t 为风速 ρ ; 为空气密度 ρ ; s为颗粒密度 ;g 为重力加速度 ;d i 为起动颗粒的半径。

泥沙起动规律初探

泥沙起动规律初探张伟河海大学交通学院，海洋学院(210098)E-mail ：jarod@摘要：有关泥沙起动规律问题，国内外已有许多研究。

对泥沙起动最早的研究可以追溯到17世纪。

到目前为止一百多年来，所提出的无粘性颗粒的起动流速公式已在100个左右。

尽管各家公式基本上都通过了理论分析及实测资料的验证，但公式在形式及计算结果上相差较大，与此同时，对有些问题不能作出合理的解释。

出现这种现象的原因，主要是对泥沙起动的机理还不完全清楚，在对泥沙起动标准等问题的认识上还存在一定分歧所导致的。

关键词：泥沙起动，起动流速，起动标准1. 泥沙起动的初步认识河床床面上原处于静止状态的泥沙，所受到的水动力一旦大于维持其静止的力，泥沙颗粒即获得一定的初速，转化成迁移状态，即为起动。

起动流速是泥沙的一个水力学特征量，与另一特征量沉降速度的区别是起动流速除泥沙本身的直径、比重、级配、形状等特性而外，还反映河床床面的结构，及泥沙在结构中所处的位置。

从物理上讲，床面大致有四种结构：○1直径较均匀，且有一定扁度的泥沙，容易相互搭接，形成排列，甚至是相当稳定的鱼鳞状排列；○2颗粒极细的泥沙，淤积后形成有絮网结构的浮泥；○3浮泥沉积时间足够长后，产生结构应力，形成粘土；○4床面由无序排列的泥沙构成，表层泥沙由其它颗粒所支撑。

前三种结构床面上泥沙的“起动”，或是鱼鳞状排列的成片破坏，或是浮泥与清水交界面的Taylar 失稳[1]，或是床面上粘土块的剥落。

单颗泥沙的起动，事实上只存在于松散的床面。

即便这种情况，由于泥沙颗粒在床面上所处的位置不同，其起动流速仍存在随机性。

泥沙起动的问题具有很大的随机性，为此有人曾认为它和一条河流的最大洪水一样，缺乏真实的意义。

但在另一方面，对于大量的泥沙颗粒而言，偶然性中又自有一定的必然性，这反映有一定的规律可循。

从统计的意义来讲，在某一水流条件下，什么样的泥沙可以运动，以及有多少这样的泥沙在运动，都是可以确定的。

风沙起动形式与起动假说

第２３卷第２期２００５年６月干旱气象ＡＲＩＤＭＥＴＥＯＲＯＬＯＧＹＶｏｌ．２３ＮＯ．２Ｊｕｎｅ，２００５文章编号!!""#$%#&’()""*+$")$""#,$"#风沙起动形式与起动假说董治宝! 中国科学院沙漠与沙漠化重点实验室"甘肃兰州７３００００#摘要!风沙颗粒起动是风沙物理学与沙尘释放研究的重要内容"但是"这一领域的研究很不成熟$本文根据国内外目前的主要研究成果" 讨论了风沙起动的形式" 将风沙起动理论归纳为风压起动说%升力起动说%冲击起动说%压差起动说%振动起动说%斜面飞升说%猝发起动说%湍流起动说%负压起动说和涡旋起动说等１０种假说$ 进一步将风沙起动假说归纳为以接触力为主的起动学说和以非接触力& 气力# 为主的起动说两大类$ 最后认为"风沙起动的影响因素是复杂的"各种学说都有其合理的成分"反映了真理的某个侧面"但试图仅仅靠某一种学说或某一种力来解释风沙的起动是不够完善的$ 风沙起动过程同时受多种力的作用"只是这些力所起的作用各异"在分析时要分清主次$ 再者"同一种力在不同性质& 如不同密度%粒径和形状等# 沙粒的起动过程中所起的作用也可能是不同的"在研究中还需要具体问题具体分析$ 风沙起动机制尚需全面%深入和科学的研究$关键词!风成过程’颗粒起动’假说中图分类号!-,)*.# 文献标识码!Ａ引言另有一派学者则认为" 我国北方的沙尘源区主要是由于不合理的人类活动造成的沙漠化土地" 与原生沙尘暴包括*个相互联系的过程(大风的形成% 地表沙尘释放%沙尘在气流中扩散%沙尘输送和沉降过程$ 沙尘释放系指沙尘颗粒从地表进入大气的过程"是沙尘暴形成的关键环节"是沙尘暴研究中必须考虑的问题$ 这是因为(! !) 沙尘释放过程决定沙尘的输送量和沉积量"只有准确地估算沙尘粒子的释放强度! 释放量) "才能确定大气中尘埃粒子以及气溶胶的浓度"进而研究它所带来的影响$ ! )) 控制沙尘暴"人类实际上只能努力于防止风蚀%减缓地表沙尘的释放$ 所以沙尘暴的防治需要理解沙尘释放过程与机理$ ! &) 地表风蚀导致沙尘颗粒的释放"使源区土壤中的细颗粒%有机质和其他养分丧失"导致土地沙漠化$ ! ,) 沙尘暴究竟是自然因素还是人为因素造成的* 近年来学术界关于我国北方沙尘暴的主要源区和成因分歧颇甚$ 有的学者认为"我国北方的沙尘源区主要为原生沙漠"沙尘活动是一个自然过程"所以自然因素是产生沙尘暴的主要原因$ 而沙漠无关" 所以人为因素要对沙尘暴的产生负主要责任$ 这两种截然不同的观点在指导沙尘暴的防治时具有差异很大的导向$ 要澄清上述两种观点孰对孰错"需要理解不同地表类型的沙尘释放过程%机理与释放强度$& *) 沙尘暴的预报和预警成为近年来研究的热门课题" 不同领域的众多研究者在努力提高预报的可靠性$ 沙尘暴预报与预警的可靠性受很多因素的影响" 目前已建立起一系列的预报沙尘输送和沉降的数值预报模式"但是由于对沙尘暴产生%发展的各种因子尚考虑不全% 对已知模型因子之间的关系及其在沙尘暴形成中的作用机理尚缺乏清晰的认识"使得预报的结果差别很大$不论已有沙尘暴预报模型的形式如何" 但都将地表沙尘的释放过程作为预报模型中不可缺少的重要模块$ 尽管近年来致力于沙尘暴预报模型研究的努力已很多" 但是我们不能不看到" 研究工作集中于沙尘输送过程的宏观监测与模拟预报" 而对沙尘释放的微观过程在沙尘收稿时间!)""*$"*$"/" 改回日期!)""*$"*$)*基金项目(中国科学院知识创新工程重要方向项目& 0123&$45$&,!) 资助作者简介!董治宝& !’##$) "男"研究员"主要从事风沙物理研究. 6$789:;<=>?@AB:<=.8C.C@使更多的沙粒起动 % 尼克林& :# =# 40>?*0(’$ 通过! 期董治宝：风沙起动形式与起动假说６５暴预报研究中几乎未进行专门的研究!沙尘释放研究中首先遇到的问题就是风沙起动问题! 风沙起动形式系指风沙颗粒以什么样的方式脱离地表进入气流! 当吹过沙质地表的风力足够强时"沙粒便会起动进入气流中"由于风沙起动的随机性 "沙粒以不同的形式进入气流 ! 目前关于风沙起动形式的研究仅有一些直接的实验观察和简单的理论推测"很不成熟 ! 沙粒起动形式取决于风沙起动机制 "由于不同研究者观察到的风沙起动形式和认识不同"导致了关于风沙起动的多种假说!强度与频率与沙粒的粒径’形状’分选和排列特征有关,@.!刘贤万应用高速摄影方法在风洞中对风沙起动过程进行了实验研究!他认为"以拜格诺为代表的观点是欠妥的"在风沙起动进入气流之前"沙粒运动首先表现为滑移!滑移与滚动的区别是"前者不是一直紧贴在颗粒表面" 而是在颗粒及颗粒集团之间进行的一种滑翔运动! 颗粒的滑移运动是颗粒在两个暴露的颗粒或颗粒群体之间" 做最大垂直距离在两个粒径范围’ 水平移动距离在几个到几十个粒径范围１风沙起动形式内的滑翔’ 飘荡运动! 滚动是一种不脱离沙面的运动 "受众多沙粒的阻滞 "滚动将会衰减 "很快就会停在风沙运动过程中 "一些沙粒在风力作用下直接起动 "这种起动叫气动起动或流体起动 ! 一旦沙粒脱离地表进入气流"就在气流中很容易被风加速" 从而从气流中获得动量! 一部分沙粒会获得足够的动量 "以致于当它们返回地表与地表撞击时会发生回弹或使其它地表颗粒因颗粒冲击而起动进入气流"称之为回弹起动和溅射起动或冲击起动!关于沙粒是如何脱离地表进入气流目前有两类代表性观点 ! 有的研究者 "包括风沙物理学的奠基人拜格诺# "# $# %&’()*+$ 认为 "在风力作用达到一定强度时"地表沙粒开始运动"运动首先表现为沿地表的滚动"当滚动经过一段距离后"沙粒积累了足够的能量而脱离地面进入气流 ,-.% 还有的研究者"如比萨尔& /# %01&*$ 和尼尔森& 2# 3# 405*15($ 认为 "风沙颗粒起动进入气流之前"首先是围绕某一位置振动" 然后进入气流 ,!.% 有的研究者 "如安得森& "# 6# $(!+571)($ 等认为 "持前一类观点的研究者是根据沙粒起动的观察结果 "而持后一类观点的研究者大都是下来!只有当风力达到一定强度后"颗粒不仅发生滚动"更重要的是发生普遍的滑移!由于滑移的初级碰撞"沙面才不再平静"地表沙粒不断进入气流 ,A.!所以" 尽管风沙起动形式是风沙运动研究中首先遇到的问题"而且半个多世纪以来"许多学者都曾对该问题的研究做过不懈的努力" 可惜至今仍未能最后解开这个谜! 研究这一问题的困难在于问题本身的复杂性和研究手段的限制!在风沙运动过程中" 气流中"特别是贴地层气流中的沙粒密集而微小"用肉眼观测无法查清!运动沙粒是以高速飞行的"虽然它们的绝对速度并不很大" 但其相对速度却大得惊人! 一颗粒径 B#! ;; 以 @ ;(1C- 运动沙粒的相对速度相当于一架 D ; 长 " 以 8@B ;(1C- 运动的超音速飞机相对速度的 @BB 倍)鉴于上述困难" 以往很多研究者只能在片段观测的基础上" 根据物理学的基本理论对风沙起动的机制进行推断"提出各种假说"这些假说有待于经过更完善的观测手段的验证与提高"才能上升为理论%根据土壤颗粒起动的观察结果 "沙粒之间与土壤颗粒间的结合力是有很大差异的 "从而导致在风力作２风沙起动假说用下起动形式的不同,8.% 威廉斯& 9# 9# :0**0&;1$ 根据其风洞模拟实验结果认为 "风沙颗粒既可以通过滚动"也可以通过溅射的方式进入气流"在进入气流之前"沙粒首先要发生原地振荡% 他发现"沙面的最初根据已有关于风沙起动的研究成果"风沙起动假说大致可以归纳为以下 -B 种% 应当指出"这样归纳仅仅是为了叙述的方便" 实际上有些学说的本质是一致的"只是考虑问题的侧重点不同%扰动与半组织骤风有关 "骤风起源于边界层的猝发 !" #风压起动说性质% 由骤风产生的运动颗粒与周围颗粒的碰撞促 ,<.风洞实验认为"风沙并非通过滚动的方式进入气流" 他发现"风沙起动过程中"沙粒首先表现为快速的级联碰撞"最容易起动的沙粒与其下风向的较难起动的沙粒发生碰撞 "使其起动进入气流 % 级联碰撞的风压起动又称为流体起动" 在风沙起动理论中占有相当重要的地位" 风沙物理学中关于沙粒起动风速计算公式的建立都是基于风压起动说" 其核心观点是风沙起动产生于风对沙粒迎风面的压力% 早在 -E<- 年 "拜格诺认为 "风沙是在沙粒迎风面压力直接作用下起动的 ,-.% 这里的压力实际上是气流的致风沙颗粒的运动 " 在大气边界层的剪切流中!完原因之一 & 田中贞雄用密度为 !/’"!/7 *’89 的石英沙和 ;/;$ *(89 的硫铵颗粒在风洞中作了旋转速度的观测 !发现转速 $<<"=<< >(- 的沙粒基本上垂直上升 ! 而转速 !<<"&<< >(- 的沙粒都以 &<!" 粒的马格努斯效应有关 & 升力起动说也是颇有影以 ; <<< >(- 高速滚动的沙粒!当风速为 ;/ ’ 9(- 时!所产生的马格努斯力约为沙粒重力的 ;=? &实际上沙粒起动前!当地) 紧贴沙面% 风速要远比 ;/ ’ 9(- 小!沙粒在起动进入气流前的旋转速度也远#; <<< >(- &!!干旱气象!" 卷拖曳力!亦即沙粒在风的作用下!迎风面与背风面的压差产生的力 !与沙粒对气流的阻力是一对作用力与反作用力!与沙粒迎风面积和拖曳力系数有关!还受边界层沙粒周围气流湍流发育程度的影响" 伊万近于垂直的大角度起跳+ ,事实是!多数沙粒是以中等角度飞升的#$%& 所以!目前形成的关于风沙起动机制的认识在很大程度上与观察水平有关! 这一领域的突破!研究手段的革命是很重要的&诺夫也认为 !当颗粒所受的风的正压力与接触表面 !" #冲击起动说的摩擦力不平衡时就会产生倾覆力矩 !倾覆力矩导 #$%全暴露和部分暴露于气流中的光滑圆球表面压力的纵向分布基本形式是相似的 " 迎风面为正压 !尔后逐步减小!大约在 &’!处为零 !背风面表面气流压力为负值 " 拜格诺与伊万诺夫观点的不同之处是 #拜格诺认为 !使单颗沙粒起动必须的最小风速不是肯定的 !受近地层边界层中湍流发展程度的控制 " 伊万诺夫认为 !拜格诺的结论受其实验环境条件的限制 !使单颗沙粒起动必须的最小风速是确定的 " 风压起动说在解释较粗沙粒的起动时!似乎是合理的! 但很难解释细沙的起动机制 !因为细沙的迎风面积是极小的!甚至没有"冲击起动说的核心观点是地表沙粒的起动是由运动沙粒的冲击作用所致! 也是风沙起动研究中占主导地位的学说&拜格诺在最早的风洞实验中发现! 在风洞顶部供沙器供沙的条件下! 亦即挟沙风条件下!沙面上沙粒的起动风速有所降低&据此!他认为! 冲击力是一个重要起动力! 并将冲击作用下的起动风速定义为冲击起动风速& 伊万诺夫从分析沙粒的动量出发! 认为冲击力可以比沙粒自身的重量大几十到几百倍!因而是沙粒飞升的主要动力#$%& 凌裕泉和吴正用高速电影摄影机拍摄的结果证实了伊万诺夫的计算! 发现沙粒所受的冲击力是重力的几百倍到几千倍! 因而推断冲击力是使沙粒起动的可能原因#@%& 上述估算和实验结果使冲击起动说广为接受! !" !升力起动说甚至有学者认为!一旦风沙运动发生之后!冲击起动升力起动说又称为马格努斯$ ()*+,-% 起动说 !其核心观点是 !沙粒的起动类似于飞机的起飞 & 沙粒的高速旋转使沙粒顶部和底部气流速度发生改变!产生马格努斯力$ 升力% & 切皮尔$ ./ 0/ 123456% 指出 !沙粒在运动中的高速旋转可能是造成飞升的:":":;:;’<!的角度上升& 据此!他认为!沙粒的上升与旋转沙 #=%响的 !尤其是在田中贞雄建立了沙粒飞升角度与旋转速度的关系之后 !似乎沙粒起动原因就非升力莫就是沙粒脱离地表进入气流的主要机制&有鉴于此! 风沙物理学中的很多理论- 模型及数值模拟研究都建立在冲击起动基础上+但是!也有的学者对冲击起动说提出质疑+ 董治宝等用激光粒子动态分析仪在风洞中对贴地层的风沙颗粒运动速度的测量结果表明!在风沙流中 !沙粒的冲击速度实际上很低 !在高空中高速运动的沙粒冲击地表的概率很小+ 由于贴地层风沙流中沙粒的浓度比较大! 高速运动的沙粒在冲击地表前发生颗粒间空中碰撞的概率比较大 ! 从而使冲击沙粒的动量分散! 不足以冲击起更多的沙粒+ 再者!很细沙粒的冲击作用也是难以想象的+ 实际上!冲击起动说的倡导者伊万诺夫就曾意识到! 对于细沙!冲击作用是比较弱的#;<%+属了 & 但如果把升力的量级估算以下 !就会发现升 !" $压差起动说力起动说也是大有问题的& 贺大梁和刘大有曾估算了沙粒旋转产生的升力!他们发现!粒径为 </! 99 并:; :;#$%:;:;因此!马格努斯力不可能是风沙起动的主要作用力& 贺大梁和刘大有为了探讨沙粒飞升的原因 !还曾对数千颗飞升沙粒的起跃角和降落角进行了判读 !结果表明!并不象某些研究者所观察到的* 跃移沙粒以压差起动说的核心观点是! 由于地表沙粒顶部和底部之间存在风速差!根据伯努利定律!颗粒顶部风速大!压力小!而颗粒底部风速小!压力大!从而使沙粒受到向上的压力+ 这个压差作用力的结果使沙粒受到马格努斯力之外的额外升力! 这个力叫沙夫曼) 0)AA9)+% 力 !颗粒因此可能起动 -上升而脱离地表+切皮尔和兹纳门斯基在风洞实验中发现!在风沙起动过程中!有相当一部分颗粒几乎垂直地进入气流! 他们据此将风沙起动归因于沙粒上下的压差#$"=%+ 压差起动说是以伯努利方程为基础的! 作为机械能守恒是可以忽略的 ! 将振动能量供给沙粒#其强度可达到发声的程度 ! 开始振动#且振动随风速的加大而加强 ! 当风力达生能量# 能量还是来自气流的平均运动和湍流脉动 !! 期董治宝：风沙起动形式与起动假说６７的伯努利方程的应用是有一定限制条件的 ! 即" 无粘性流动中 #一条流线或一个流管内各点的机械能总和是常数! 如果无粘性流动的不同流线来源于同一滞止条件#而且流动不存在间断#则上述常数对于不同流线也都相等 #因而整个流场内机械能总和是常数! $但是#当考虑沙粒的底部和顶部之间的压差时 #不能忽略粘性影响 #它们具有的能量本来就不同! 贺大梁和刘大有对沙粒所受的沙夫曼力计算结果表明 #该力不到沙粒重力的 "#$ #远不足以使沙粒起动 %&’! 压差起动说的倡导者切皮尔等也只是将沙夫曼力作为风沙起动的辅助力 ! 刘贤万认为 #由于沙土颗粒十分细小#其顶部和底部的速度差#即压差也应很小#所以#除具有特殊形状的轻质大颗粒和碎片#如凸面向上的贝壳之外#一般情况下沙夫曼力 %(’表是由于沙面不平# 在沙面上滚动的沙粒沿凹凸不平的斜面升入气流中 %"1’! 切皮尔还进一步认为#除了沙面不平外# 沙粒本身具有的不规则棱角在滚动过程中与地面相撞也是使之借机跃入气流中的一个原因%<’!贺大梁和刘大有认为# 风沙起动主要是斜面飞升与冲击碰撞相结合的结果! 沙粒在凹凸不平沙面上的滚动与平坦地面上的滚动有很大差别# 沙粒在凹凸不平沙面上的滚动过程中常有小的跳跃发生 %&’! 他们根据运动学原理对沙粒飞升的临界滚动速度进行了计算#结果表明#当滚动速度为 :3:=!:3:# >(.H" 时#沙粒就可能飞离沙面! 这是很小的速度#说明沙粒在滚动过程中很容易飞离沙面!在滚动过程中#沙粒一旦出现小跳跃就会更多地被加速! 沙粒速度越高 #跳跃会越频繁 #跳跃距离越大 #形成一个正反馈 !" # 振动起动说过程! 正反馈发展到一定程度#会出现另一种机理# 哈德逊% )* +,-./0& 在分析风沙起动的原因时认为#风沙起动的原因除了其它颗粒冲击’颗粒滚动与地面的碰撞和压力梯度外 #还可能是因为气流可 %""’它有削弱气动推力的作用) 沙粒不断加速使它与气流的相对速度减小#致使气动推力减小! 另一方面# 沙粒不断加速将消耗气流能量#使风速降低#导致气动推力减小!当两个振动沙粒相遇时#其中一个可弹入气流中#这 !"% 猝发起动说就是振动起动 ! 比萨尔和尼尔森发现 #风洞中显微镜观察台上固定小浅盘中的沙粒 #在风力不大时就 %!’到一定强度时 # 颗粒经常出现 1!# 次急剧振动后 # 突然停止振动 #最后象弹射一样飞入空中 ! 他们认为#在这种情况下#沙粒的起动是由压力波动所引起的冲击力造成的 # 其能量来自于气流的湍流频谱 ! 莱尔斯% 23 2456.& 和克劳斯% 73 789,..& 在风洞实验中发现#当平均风速接近临界起动风速时#一些颗粒 % 粒径 :3#;!:3<= >>& 开始来回振动 #其平均振动频率为 "3<":31 +?#他们认为#这和包含有湍流运动最大能量的频带有关 %"!’! 刘贤万认为#沙粒振动能量来自风的作用力和弹性力 #振动是一种有约束的阻尼运动#当沙粒在气流脉动的作用周期下#如果受迫振动终于发生共振#那么发生弹性跳起是完全可能的! 不过这种作用的概率不会大 #而且振动本身并不产 %(’所以#沙粒振动只不过是起动前的一种动作#一种摆脱周围颗粒约束的运动!猝发起动说是借鉴流水中的湍流猝发现象及其在泥沙起动中的作用发展而来的# 其主要思想可以归纳如下!早期的流体力学研究认为# 对于光滑的边壁来说# 在床面上存在着一层稳定的层流层 % 近壁层流层& ! 如果床面的泥沙颗粒小于近壁层流层的厚度# 则这些颗粒将始终受到近壁层流层的掩隐# 湍流作用无法穿过层流层而直接影响床面泥沙! 爱因斯坦% +3 I3 JB0.C6B0& 和李焕% +,90 2B & 的实验表明 #近壁层流层并不是完全稳定的流区# 它可能不断经受成长’消亡和再成长的周期性变化%"=’! 通过这一变化脉动可以不时深入直达边壁#并影响那里的泥沙颗粒! 一旦上游主流区出现一个随机扰动% 具有旋涡流态# 并有一个向边壁方向的平均运动& #接着就会在下游的边壁上出现一个低速带的举升# 由于低速带的纵向流速比上部周围流体的流速低而引起振动! 振动的增长很快 #经过 1!": 个周期后#低速带的水流结构便崩解#形成所谓的湍流猝发!猝发体中出现小涡旋的杂乱运动#并产生向外传播的压力波!!" $ 斜面飞升说在此#假定由于边壁区以外的大尺度扰动#在近斜面飞升说的倡导者海斯特% @3 A3 +B6.C & 和尼古拉% D3 E3 )BFG/59& 认为 #风沙作用下沙粒脱离地壁处产生一个马掌形的涡流# 这个涡流随着水流向前运动的过程可以说明湍流猝发过程! 马掌形的涡壁的流区 % 低速带的举升主要是带动悬浮质起悬$!"干旱气象!" 卷流形成之后 $受水流的扰动将会沿水流方向越来越拉长成为 ; 形环涡流$环的尖端离开边壁不断进入流速越来越大的区域%在马掌形涡流拉长的过程中$ 涡度不断加大$与此同时$一股低动量的水在环的两臂之间上升进入更高的流区 $最终在某一高度范围内形成一层水平的强剪切层 $表现为在纵向流速分布上出现一个板凳状的转折% 这样的流速分布是不粒起动是非常重要的%埃克斯纳认为$沙粒起动是气流湍流扩散作用的结果 =E>% 对湍流起动说持有不同意见者不乏其人$他们认为$湍流的垂直分量远比水平分量小$粗略估计可以认为$垂直分量约为水平分量的 BF<% 近地表风速的水平分量本来就很小$垂直分量则更小$ 理论上近地表处风速的垂直分量接近于零$不足以带动沙粒进入气流%稳定的$会使涡流崩解破碎 $形成湍流猝发 $产生向 !" $负压起动说外传播的压力波% 低动量的水体离开边壁后所留下的空间将由周围的水体来填补 $其中一部分来自高速流区 % 这样的补充水流受压力波的加速作用 $把高动量的流体引向边壁 $以与边壁成 <!"’<!的微小角度扫荡床面 % 但是 $横扫边壁的水流因受边壁的阻尼作用会迅速减速 $加上远离边壁处水流的扰动作用$一个新的马掌形涡流又会在床面形成$从而开始新一个猝发周期%伊万诺夫和仙科维奇认为$ 沙粒可由负压作用而脱离地表进入气流 =E>% 杜宁指出 $在较高风速下 $ 地表湍流边界层内$离表面 ! ** 高处$负压力梯度可达 G&H I$$可以使沙粒脱离地面 =E>% 负压起动说的倡导者都承认 $只有在风速比较大! JBC *"8 KB # 时 $ 负压起动才起作用% 实际上$风沙起动风速远#BC *"8KB $例如一般沙丘沙的起动风速为 <"C *"8 KB $负压起动是不起作用的%所以$猝发过程是由近壁层流层低速带的扰动& !" %&涡旋起动说举升 &崩解和主流区高速带的扫荡等构成的似循环过程$其发生频率与流体摩阻速度的 " 次方成正比$ 随着床面粗糙度的增大$低速带举升的角度增大! 可至垂直# $而高速扫荡流体的减速也随之加快 $垂直脉动加强 =’<>% 低速带的举升和崩解使当地产生极高的湍流应力 $此应力对紧靠边界处脉动能量的传递起着决定性作用% 据格拉斯! ?"@"A1$88# 的实验 $当低速带经过各点时 $雷诺应力的峰值可以达到当地平均脉动剪切力的 < 倍% 高速流体深入边壁时也会造成很高的脉动剪切力 $不过其作用仅限于紧接边 =BC>而高速带的扫荡主要是推动蠕移质和跃移质的起据贺大梁& 刘大有在综述风沙起动的成因时认为$ 沙粒除了靠斜面飞升脱离层流层后受湍流垂直分量作用外$ 还可能是因为涡旋在局部突起地方的分离$分离产生的负压和离心力能够使沙粒起动 =E>%综合以上各种风沙起动学说$ 可将其大致分为两类% 一类是以接触力为主的起动学说’ 冲击起动说&振动起动说和斜面飞升说%另一类是以非接触力 ! 气力# 为主的起动说 ’风压起动说 &升力起动说 &压差起动说 &湍流起动说 &负压起动说 &涡旋起动说和猝发起动说% 贺大梁和刘大有用高速电影摄影机研究风沙运动时发现$ 沙粒脱离地表后垂直加速度的平均值为负! 表 B # $这说明所有非接触力的垂直分跳%湍流猝发在泥沙运动及起动中的作用已为水槽表 !不同飞行阶段风沙颗粒加速度的水平分量和垂直分量之平均值 "!#$实验所证实 $在风沙起动和运动中的作用尚未经实验证明 % 特别是由于气流和水流的密度相差 ! DDD #$%&’ #() *)$+ ,$-.) /0 ,)1234$- $+5 (/136/+2$- $44)-)1$23/+ /0%-/7+ 8$+5 9$1234-)8 5.13+: 5300)1)+2 82$:)8多倍$我们除了可以断定$气流中的猝发作用比流水中的弱之外 $其低速带的举升和高速带的扫荡作用还很不清楚 =C>% 他山之石 $可以攻玉 $在风沙起动研究中借鉴泥沙起动研究的思想&理论&方法和成果是飞行阶段／平均颗粒数起跳／１９平飞／３０降落／８水平加速度分量! ｍ"ｓ－２#３３．０２７．５１２．８垂直加速度分量! ｍ"ｓ－２#－１５．３－１３．８－１０．６不无益处的%!" # 湍流起动说量总和小于重力$这些力是不足以使沙粒起动的$因湍流起动说的核心观点是$在湍流中$由于空气的内部运动$风速和风向始终在变化$会出现瞬时垂直运动的气流 $向上运动的气流会带动沙粒脱离地表进入气流中 % 冯卡门认为 $湍流的垂直分量对沙此断言$ 使沙粒起动的主要力只能是沙粒之间相互作用的力(接触力 =BE>% 他们通过对各种接触力的对比分析后认为$ 在 " 种可能引起风沙起动的接触力中$振动起动的可能性不大$因为野外和风洞中风。

钱塘江河口细颗粒泥沙起动流速研究

ＢｏｒｐｙＺＮｉ（４）ｍａ，ｅｉｎｉｅ．ｉｇａｈ：ＥＧＪｎ１７一，ｌｓｎｒｇｅｒａ９ｅｏｅｎ
水
度，现水槽内水位高度的无级调节。实
道
港口
第３卷第５１期
为便于放置原型沙并模拟真实床面情况，槽试验段用有机玻璃垒出一块长４ｍ、０８ｍ、００在水宽．高．ｍ８梯形平台，台上根据原型沙的不同样本形状，平开挖长方形凹槽或圆形凹槽。沙表面用推板抹平，泥使泥面
第３卷第５期１
２１年ｌ月０００
水
道港口
Ｖｏ＿Ｎｏ５ｌ３１．０ｃ．０１ｔ２０
ＪｕｎｌｆａｅｗａｎｒｏｏｒａｔｒｙａｄＨａｂｒｏＷ
钱江细粒沙动速究塘河口颗泥起流研
底沙和悬沙差异较小，以细粉砂为主，中值粒径一般为Ｏ０ — ．４ｍ分选良好，．２００ｍ，由于河床滩槽组成物质经过长期往返搬运分选，乏粘性颗粒，冲能力低，冲易淤。文在泥沙水槽试验的基础上，缺抗易本根据钱塘江河口实测含沙量与流速过程资料，析钱塘江河口泥沙的起动流速，分供工程应用参考。
基金项目：家自然科学基金（０７１３；家水体污染控制与治理科技重大专项（０９Ｘ７２）国家自然科学青年基国１７２６）国２０Ｚ０４４；金（０００７４８６３）

沙粒起跳与风沙流的研究

方成正比。Anderson指出沙纹波长约等于颗粒蠕移距离的6倍。Hogbom（1923）
指出波纹波长与风速的平方成正比。Seppala和Linde认为二者呈线性关系，李
振山、倪晋仁通过风洞实验测量，发现沙纹发育呈现阶段性特点。兹纳门斯基
（1958）、西多连科（1956）认为，沙纹的形成时由于风对沙面颗粒的分选作用
小于15°，并相应得出了最大跃移高度和起跃角的分布。Mitha、Tran、Werner
和Haff（1986）用钢球代替石英沙研究了“沙粒”的起跳速度、起跳角度与入射角度、入射速度的关系。Rice、Willetts和Mecwan（1995）同样地提出了其分布关
系。Anderson根据数值实验结果，认为沙粒碰撞沙床时沙粒的反弹角大多集中
雅库波夫、刘振兴、朱震达、吴正、董治宝等对风沙流结构强度的宏观研究作出
了重要贡献。而伍德拉夫、哈德森、欧文、怀特等在沙粒平均轨迹；单颗沙粒跃
移轨迹德几何参数以及受力过程等微观研究中作出了大量工作。
20世纪30年代，拜格诺应用von karman(1934)、prangtl(1935)和shields所
[21][22][23][24]
。
风沙流中的沙量随高度的分布规律受许多因素的影响，地表粗糙度、风速、
沙量、沙子的粒径及含水量、地形等。输沙量是公路防沙治沙工程设计的一个重
要参数。吴正、邹学勇对沙砾戈壁地表的风沙流结构作过野外和风洞实验，表明
戈壁风沙流的总体高度大于流沙地表。FrankA.KocureKG，从风沙地貌的角度进
对于输沙率公式的建立，几十年来中外学者对其进行了大量的研究。
Bagnold、河村马龙、Zinng、Owen、Lettan等通过跃移颗粒受力和运动学分析得

起沙风速的观测方式及其影响因素研究综述

起沙风速的观测方式及其影响因素研究综述伊力哈木·伊马木１，李菊艳１，玉米提·吾提库尔１，刘金苗２（１．新疆维吾尔自治区水土保持生态环境监测总站，新疆乌鲁木齐８３０００２；２．北京林业大学水土保持学院，北京１０００８３）［关键词］起沙风速；沙粒粒径；植被覆盖度；地表结皮率；地表粗糙度［摘　要］起沙风速作为研究风沙运动规律、解决风沙工程问题的关键指标之一受到广泛关注。

学者们根据研究目的及内容的不同总体主要采用两种研究方法：一是利用风速仪在野外进行直接测量；二是在之前学者研究的基础上，利用理论模型，通过计算临界摩擦速度等求得起沙风速。

学者们在选择研究方法时会以研究内容作为参考，而起沙风速的影响因素是其中重要的一项。

起沙风速受多种因素的影响，通常情况下：①起沙风速随粒径的增大而增大，但含水量变化会使这种现象发生改变；②植被覆盖度越大、植被类型越丰富、组合模式越复杂起沙风速越大；③地表结皮率、砾石覆盖度、地表粗糙度等均会对起沙风速产生影响。

［中图分类号］Ｓ１５７［文献标识码］Ａ［文章编号］１０００－０９４１（２０２１）０５－００４２－０３目前，随着国内外对土壤风蚀、土地荒漠化、风沙运动等多种研究课题的持续关注，学者们对起沙风速的研究持续推进。

沙粒起动是地表沙粒运移的开端，当风力不断增加达到临界值时，地表沙粒开始运动，此临界风速称为起动风速，凡是超过起动风速的风称为起沙风。

起动风速包括流体起动风速和冲击起动风速。

流体起动指纯气流对沙粒的直接推动作用使沙粒发生滚动或跃起，此情况是在上风向没有来沙时产生的；冲击起动是指已形成的风沙流不断地对地面产生冲击而使沙粒进入运动状态，此情况是上风向的挟沙气流和运动沙粒共同作用的结果［１］。

目前，大多数学者对起沙风速进行野外实测试验是以研究流体起动风速为主［１－２］。

通常情况下，起沙风速即沙粒开始移动的最低风速，沙粒受风力的起动机制是研究起沙风速的首要内容［３］。

论泥沙起动流速

论泥沙起动流速窦国仁(南京水利科学研究院)摘要：本文是作者40年来研究泥沙起动公式的小结。

文中对颗粒间的粘结力、水的下压力和阻力等有关参数进行了修改。

通过瞬时作用流速，明确了三种起动状态间的关系，消除了起动切应力和起动流速间的不协调。

对导得的起动切应力公式和起动流速公式进行了较为全面的验证，说明公式较好地反映了粗、细颗粒泥沙和轻质沙的起动规律，为研究工程泥沙问题提供了实用公式。

关键词：泥沙；起动流速；临界切应力1 前言泥沙起动是泥沙运动理论中最基本的问题之一，也是研究工程泥沙问题时首先遇到的问题。

早在19世纪就提出了泥沙起动的概念，20世纪初开始了系统的研究，至今仍在继续。

作者于40年前写了“论泥沙起动流速”一文，先后发表于《水利学报》和《中国科学》外文版[1]。

其后40年中，国内外许多学者对泥沙起动问题，特别是对细颗粒泥沙和轻质沙的起动问题进行了大量研究，取得了较为丰富的资料。

在此期间本文作者结合长江葛洲坝工程、三峡工程、黄骅港工程和长江口深水航道治理工程等泥沙问题的研究，也积累了一些资料，加深了对泥沙起动问题的认识，感到有必要对泥沙起动流速公式作进一步的修改和完善。

本文就是作者40年来研究泥沙起动规律的嗅。

限于篇幅，文中未对许多学者的重要成果进行介绍，也未涉及不均匀沙中的各种特殊问题。

2 作用于床面泥沙颗粒的力对于较粗颗粒的泥沙，都是以单颗粒形式起动；对于较细颗粒的泥沙，由于粘结力和水流脉动(“扫荡”)的影响，往往以数十个或数百个颗粒组成的群体形式起动，起动后仍以单颗粒形式在水流中运动，只是在床面上留下片状痕迹。

自由沉降于床面上的颗粒群体，在其起动时所受到的各种作用力均较单颗粒时按相应倍数增大，因而在讨论力或力矩的平衡时仍可按单颗粒处理。

泥沙颗粒并不是球体，颗粒愈细偏离愈大，但仍可按球体处理，对其所引起的偏差可在确定经验系数时给予间接考虑。

为泥沙颗粒所受的重力Fg(1)式中ρs和ρ为沙粒和水的密度，g为重力加速度，d为粒径，一般均指其中值粒径，即d=d50。

条子泥滩地粉细沙起动流速试验研究

２０１５年６月
水运工程
Ｐｏｒｔ＆ＷａｔｅｒｗａｙＥｎｇｉｎｅｅｉｎｒｇ
Ｊｕｎ．２０１５
Ｎｏ．６ＳｅｒｉａｌＮｏ．５ｏ４
第６期
总第５０４期
工条（１子泥滩陈海地英粉，尹细家春沙，起王费动新流，张速试忱。验研究
ｃａｌｃｕｌａｔｉｏｎｆｏｒｍｕｌａ，ｉｎｃｌｕｄｉｎｇＺｈａｎｇＲｕｉｊｉｎ，ＤｏｕＧｕｏｒｅｎ，ＴａｎｇＣｕｎｂｅｎ，ｅｔ１ａ．Ｂａｓｅｄｏｎｔｈｅｒｅｓｕｌｔｓｏｆｔｈｅ
ｄｉｆｆｅｒｅｎｔｗａｔｅｒｄｅｐｔｈｓａｒｅｔｅｓｔｅｄｂｙｉｎｄｏｏｒｅｘｐｅｉｍｅｒｎｔｓ，ａｎｄｃｏｍｐａｒｅｄｗｉｔｈｔｈｏｓｅｃａｌｃｕｌａｔｅｄｂｙｓｅｖｅｒａｌｗｉｄｅｌｙｕｓｅｄ
ｏｆｅｍｂａｎｋｍｅｎｔｔｏｅ，ｔｈｕｓｐｒｏｔｅｃｔｉｏｎｍｅａｓｕｒｅｓｈａｌｌｂｅｔａｋｅｎ．Ａｐｐｒｏｐｉａｒｔｅｐｒｏｔｅｃｔｉｏｎｍｅａｓｕｒｅｓａｒｅａｓｓｏｃｉａｔｅｄｗｉｔｈｔｈｅｔｈｒｅｓｈｏｌｄｖｅｌｏｃｉｔｙ．ＴｈｅｔｈｒｅｓｈｏｌｄｖｅｌｏｃｉｔｉｅｓｏｆｔｈｅｉｆｎｅｓｉｌｔｙｓａｎｄｓａｍｐｌｅｄｆｒｏｍｔｈｅｔｏｐｓｏｉｌａｔＴｉａｏｚｉｎｉｂｅａｃｈｕｎｄｅｒ

风沙运动规律的分析和研究

风沙运动规律的分析和研究邹维（新疆水土保持生态环境监测总站）1 概述在风沙运动中，风和沙是紧密联系的。

通俗的说，有风就会产生沙，就会形成风沙流，引发水土流失。

风沙运动规律也就是风沙流的运动规律。

新疆地域辽阔，气候干燥，戈壁沙漠广布，水土流失严重，是一个以风蚀为主的省区。

了解和掌握风沙运动规律，不仅有助于我们提高水土保持方案的编制质量，根据风沙运动规律制定合理的防治措施，同时对克服工作中的盲目性，提高风蚀监测技术水平，指导规范风蚀监测技术标准也具有积极的帮助和促进作用。

2风的形成与运动特征2.1 风的形成由于地球表面热量分布的不均，出现气压差，空气由高压区向低压区流动，就产生了风。

大气对流层中贴近地面100m范围内的气层称为近地层(地表风力)，一切风沙运动都与本层大气的性质及活动状况有关，因此也是风力侵蚀研究的重点。

风力强度通常用蒲福风力等级来表示，共分为18个等级(0-17级)。

2.2 风的运动特征2.2.1 风向特征风向主要是受气压、大气环流和地形控制。

风向常用16个方位表示。

在秋季和冬季，新疆大部分地区处在蒙古高压西部和南部，除南疆西部和西南部盛行西北风和西风外，其它地区多东北和偏东风；在春夏和夏季，新疆处在热低压的北侧，风向主要受局地环流支配，北疆地区和南疆西部盛行西北和西风。

另外，在南疆南部的于田、民丰及以西地区，秋冬季盛行西风；民丰、且末以东地区春夏季盛行东北风。

这种东北风和西风的分界线秋冬季在尼亚雅河附近，春夏季则在克里雅河附近。

2.2.2 风速特征在大气环流和地形的综合影响下，使新疆地面风速分布变得极为复杂和极不均匀。

其总体分布特点是：北疆大，南疆小；北疆东部、西部和南疆东部大，准噶尔盆地和塔里木盆地内部小，高山大，中低山区小。

年平均风速，北疆准噶尔盆地西部和额尔齐斯河河谷西部在4m/s以上；北疆东部东天山北麓在4m/s以上；沿天山北麓的农业地区在3m/s以下；伊犁河谷为2-2.5m/s。

泥沙起动规律及起动流速

泥沙起动规律及起动流速
嘿，朋友们！咱今天来聊聊泥沙起动规律及起动流速这个有意思的事儿。

你想想看，那河里的泥沙，就像一群小调皮，平时安安静静地待着，可一旦条件合适，它们就开始“躁动”起来啦！这泥沙啥时候会起动呢？这就得说到起动规律啦。

就好比我们人，啥时候会行动起来呢？可能是看到好吃的，可能是听到好玩的，总有个契机让我们动起来。

泥沙也一样啊，水的流速就是那个让它们动起来的契机。

当水流速慢慢变快，达到一个关键点的时候，泥沙就坐不住啦，开始跟着水流跑起来。

那这个让泥沙起动的流速有多重要呢？哎呀，这可太重要啦！如果我们不知道这个，就好比闭着眼睛过马路，多危险呀！比如说建个大坝，要是不了解泥沙起动流速，那泥沙可能就会呼呼地涌过来，大坝不就危险了嘛！再比如，航道的设计，要是不考虑这个，说不定哪天泥沙就把航道给堵住啦，船还怎么开呀！
咱再形象点说，这泥沙起动流速就像是一场比赛的起跑线。

水流速就是发令枪，一旦枪响，泥沙就开始“奔跑”啦！而且不同的泥沙，就像不同的运动员，它们起跑的速度要求还不一样呢！有的泥沙比较“懒”，得水流速很快了才肯动；有的泥沙比较“积极”，稍微有点水流就跟着跑啦。

你说这大自然是不是很神奇？这泥沙起动规律和起动流速，就像是它给我们出的一道有趣又重要的谜题。

我们得好好研究，才能解开这个谜题，才能更好地和大自然相处呀！
我们得重视这个泥沙起动规律及起动流速呀，不能小瞧了它们。

就像我们不能小瞧生活中的小细节一样，有时候一个小细节就能决定成败呢！所以呀，我们得认真对待，仔细研究，这样才能让我们的生活、我们的工程都顺顺利利的，不会被泥沙这些小调皮给捣乱啦！这就是我对泥沙起动规律及起动流速的看法，你们觉得呢？。

韩其为非均匀沙起动流速公式

韩其为非均匀沙起动流速公式
一、非均匀沙起动流速公式的背景及意义
非均匀沙起动流速公式是描述沙粒在河流、渠道等水域中启动、输送过程的重要公式。

在水利工程、河流治理等领域具有重要的理论指导意义。

我国著名水利专家韩其为教授通过多年的研究，对非均匀沙起动流速公式进行了系统深入的探讨，为水利工程领域的发展做出了卓越贡献。

二、韩其为非均匀沙起动流速公式的推导过程
韩其为非均匀沙起动流速公式是基于水流与沙粒之间的相互作用力、水深、流速等因素推导出来的。

公式如下：
u* = (ρs - ρw) * g * η / (ρs * α)
其中，u*为起动流速，ρs为沙粒密度，ρw为水密度，g为重力加速度，η为水流摩阻系数，α为沙粒恢复系数。

三、公式中各参数的含义和计算方法
1.沙粒密度（ρs）：指沙粒的质量与体积之比。

2.水密度（ρw）：指水的质量与体积之比。

3.重力加速度（g）：地球表面上的重力加速度，一般取9.8m/s。

4.水流摩阻系数（η）：表示水流在渠道壁面上的摩擦阻力，可通过实验测定。

5.沙粒恢复系数（α）：沙粒在起动流速下，从床上抬起后再落回床面的过程中，其形状和分布恢复到原来的程度。

风场下沙粒起动的非线性动力学特性研究

风场下沙粒起动的非线性动力学特性研究风场下，沙粒的起动标志着风蚀的开始，研究沙粒的启动机制非常重要，而起动风速的研究又是其中非常关键的一环。

因此，沙粒的起动风速一直以来都受到了研究学者们的高度关注。

本文首先建立沙粒在风场中受到重力、拖拽力、升力以及电场力作用下的平衡方程，并根据沙粒起动这一物理现象的突变特性，采用非线性科学突变理论中的尖点突变模型来模拟这一过程，在数学推导证明沙粒起动是属于尖点突变模型后，进行数值求解。

在这基础上，还讨论了电场力对沙粒起动风速的影响。

结果表明，与其他理论模型所得出的结果相一致。

1.1 研究背景与意义人类生存环境正随着人们活动的不断扩张而日益遭到破坏，土地沙漠化正威胁着人类生存地带。

沙漠化作为当今社会共同的一个环境与经济问题，越来越受到社会各界学者的重视。

它不但对生态平衡造成破坏，使土地丧失固水能力，而且影响到了当地居民的日常生活与农作生产，并对农业与公共设施构成极大的威胁。

上世纪初，苏、美都因对土地的盲目开垦而导致了严重的沙尘暴灾难，造成的直接经济损失不可小视。

据联合国环境规划署(UNEP)的统计表明，目前全球共有1/4的土地面积为沙漠，并且这一面积正以每年6万平方公里左右的速度扩展。

沙漠化使得全世界100多个国家，1/6的人口受到不同程度的危害[5,6]。

我国地域辽阔，地况繁杂，成为受沙漠化侵害最严重的国家之一。

根据全国沙漠、戈壁和沙化土地普查及荒漠化调研结果表明，中国荒漠化土地面积为262.2万平方公里，占国土面积的27.4%，近4亿人口受到荒漠化的影响据中、美、加国际合作项目研究，中国因荒漠化造成的直接经济损失约为541亿人民币。

土地的沙化给大风起沙造成了物质源泉。

因此中国北方地区沙尘暴(强沙尘暴俗称“黑风”。

因为进入沙尘暴之中常伸手不见五指)发生越来越频繁，且强度大，范围广。

1993年5月5日新疆、甘肃、宁夏先后发生强沙尘暴，造成116任死亡或失踪，264人受伤，损失牲畜几万头，农作物受灾面积33.7万公顷，直接经济损失5.4亿元。

一、不同粒径与风速之飞砂量国立中兴大学水土保持学系风工程研究室

研究方法
3. 現地與空品測站間風速及PM10之比較
河川現地之風速強度與空品測站之風速強度差異極大，且其差異亦隨各測站與河床之地理位置而有所差異，但為了能藉由空品測站之風速來粗估所觀測現地之揚塵概況，故進行河川現地與空品測站間之同步風速之測定，另同步監測PM10濃度，方便河川現地與空品測站間懸浮微粒之比較。
國立中興大學水土保持學系風工程研究室
現地實驗
前言
文獻回顧
五、微氣候觀測
研究方法
為探討飛砂量之影響因子，須掌握現地飛砂發生時之微氣候狀況，以利於飛砂量推估式因子之計算；故以Davis儀器觀測當時氣壓、氣溫、溼度等因子之改變，時間為一分鐘觀測一次，十分鐘紀錄一次，並由所得之資料換算當時之空氣密度。
有關砂粒移動之臨界條件，不論依剪力理論、衝力理論或揚力理
論其門檻風速Ut可化簡為下式之關係：
式中 Ut：門檻風速
Ut A0
( ) gd
σ：砂粒密度 ρ：空氣密度ｇ：重力加速度
ｄ：砂粒粒徑
Ao：常數，根據Bagnold試驗，當雷諾數>3.5時，Ao=0.1
基於假設砂粒以跳躍方式運行，並由氣流中吸取能量，推演而成
風
3
60 50
225
15
115
擾流板地氈
單位：cm
國立中興大學水土保持學系風工程研究室
風洞實驗
前言
文獻回顧
研究方法
五、不同高度揚塵變化量
為了探討瞭解揚塵量與高度間的關係，因此，將各試區所採集之砂粒，鋪設於風洞試驗段內，同樣於砂體下游面225cm處架設粉塵採樣計，量測高度分別為1cm、3cm、5cm、7cm、9cm、11cm、13cm、 15cm、17cm及19cm等10個不同高度之揚塵量。

沙粒浮力与风速的关系

沙粒浮力与风速的关系引言：沙粒浮力与风速的关系是一个在自然界中常见且值得研究的问题。

沙粒浮力是指沙粒在风中受到的向上的力，它与风速之间存在着一定的关系。

本文将对沙粒浮力与风速的关系进行探讨，并分析其可能的原因。

一、沙粒浮力的定义和作用沙粒浮力是指沙粒在风中受到的向上的力。

当风吹过沙地时，风速越大，沙粒受到的浮力就越大。

这种浮力可以使沙粒从地面上升起，并形成沙尘暴等现象。

二、沙粒浮力与风速的关系研究表明，沙粒浮力与风速之间存在着一种正相关的关系。

也就是说，风速越大，沙粒受到的浮力就越大。

这是因为风速的增加会加大空气对沙粒的作用力，从而使沙粒受到更大的向上浮力。

三、可能的原因分析1. 空气动力学效应：当风速增大时，空气对沙粒的作用力也会增大。

根据伯努利定律，风速增加会导致气压降低，从而使沙粒受到向上的浮力。

这种效应可能是沙粒浮力与风速正相关的原因之一。

2. 风速与颗粒间的作用力：风速的增加会导致沙粒之间的碰撞频率增加，从而增加沙粒受到的作用力。

这种作用力可能会使沙粒受到向上的浮力。

3. 气象条件：除了风速，其他气象条件如温度、湿度等也会对沙粒浮力产生影响。

这些因素可能会通过改变空气密度等参数，进而影响沙粒受到的浮力。

四、实验验证和应用为了验证沙粒浮力与风速的关系，可以进行一系列实验。

通过改变风速，测量沙粒受到的浮力，并记录下来。

实验结果可以用来验证沙粒浮力与风速的关系，并进一步分析其原因。

沙粒浮力与风速的关系在实际应用中具有很大的意义。

例如，在沙漠地区，沙尘暴对人类的生活和工作造成了很大的影响。

研究沙粒浮力与风速的关系，可以帮助人们更好地了解沙尘暴的形成机制，并采取相应的措施来减少其对人类的影响。

结论：通过对沙粒浮力与风速的关系进行研究，我们可以得出结论：沙粒浮力与风速呈正相关关系。

风速越大，沙粒受到的浮力就越大。

这种关系可能是由空气动力学效应、风速与颗粒间的作用力以及其他气象条件共同影响所导致的。

实验三不同粒径泥沙起动流速

实验三不同粒径泥沙起动流速1实验目的了解在一定坡度下，不同粒径泥沙的起动流速，为探讨水土流失规律、制定水土保持措施规划和设计提供理论依据。

2实验材料准备及沙粒粒径组的粒径值计算将从野外采取的沙粒手工拣去石块，用标准土壤筛筛选得到一定粒径范围的分级沙粒，粒径组分别为 1.00 〜2.00 mm 0.50 〜1.00 mm 0.25 〜0.50 mm 0.10 〜0.25 mm和0.0740.10 mm计5个粒径组，筛分后每个粒径组的泥沙重量至少为 5.0 kg。

当泥沙只有一个粒径组时，常采用沙粒的几何平均值作为其平均粒径值，沙粒几何平均值的计算式如下：_______D i =V D • D b式中：D――某一粒径组的粒径平均值；D――某一粒径组的粒径上限值;D b――某一粒径组的粒径下限值。

以上制备的每一粒径组的几何平均值如下表所示。

3实验仪器及用品3.1可变坡度泥沙起动流速实验装置一套，主体设备包括一个长 2.0m、宽0.2m冲蚀槽和一个设置在其上方的溢流式可调节流量恒水位供水水箱(图 3.1 ）。

上木管溢沛管3.3红、篮液体指示剂各400 ml。

3.4测坡仪一个。

3.5记录本、铅笔、橡皮、小刀、计算器等文具用品适量。

3.6 Y250型毕托管4套。

4实验原理泥沙在水流冲击下的起动流速受到多种因素的影响，主要有泥沙的几何形状、泥沙粒径大小、地面坡度、泥沙所处边壁条件的粗糙状况、水流流量大小和其流速的高低等。

本实验为简化影响条件，选用特定形状的沙粒（花岗岩风化沙粒）和特定的边壁糙率条件（糙率为0.0020 ），通过改变沙粒粒径、地面坡度、水流流量和流速来探讨不同粒径沙粒在特定边壁条件和不同地面坡度下的起动流速。

5地面坡度设计和沙粒起动的判别标准5.1地面坡度设计地面坡度设计为5°、10°、15°、20°、25°和30° 6种。

5.2沙粒起动判别标准泥沙在水流冲击下，不可能同时起动或同时不动。

sci论泥沙砾石的起动流速

论泥沙砾石的起动流速
毛宁
(南京水利科学研究院河流海岸研究所, 交通运输部港口航道泥沙工程重点实验室, 南京 210024)
摘要: 在泥沙起动的希尔兹曲线基础上, 讨论比较了类同的各家试验曲线变化的共同点。即最容易冲刷起动的泥
沙粒径为 0. 1~ 0. 2 mm; 再粗或再细, 其起动流速渐升。同时, 从实用观点考虑, 找出了希尔兹曲线和类同试验曲线
粒 d 抗冲阻力的比值作为纵坐标, 估算泥沙起动的
准则, 即 [ 2]
7c
=
Sc ( Qs - Q) gd
=
u*2
Qs Q
-
1
gd
( 1)
另一个变量参数是泥沙雷诺数 R e*
= u* d作为 v
横坐标。因为纵、横坐标都包含着沿底水流剪切流
速 u* , 求起动时剪切应力 Sc 或剪切流速 u* 需要试算, 所以后人为能直接由粒径 d 查用曲线的临界剪切应力 Sc 或剪切流速 u* , 则把横坐标 R e* 再进行修正, 例如泥沙专著文献 [ 3] 改换辅助线坐标为
引用和判断这些公式计算的结果。
3 细粒泥沙与粘性土的起动流速
关于细颗粒泥沙的起动流速, 愈细愈大的机理分析, 国外学者多是引用希尔兹试验曲线, 从水力学的边界层理论出发研究的 [ 3- 5, 9 ] , 即细粒泥沙淹没在床面水流的近壁层流层 ( L am inar or v iscous sub layer) , 受控于层流; 粗颗粒高出层流层进入紊流区, 受紊动漩涡的向上吸力, 减轻了颗粒的有效重; 因而层流时的泥沙起动较之紊流时需要更大的水流能量,
ChJ /Q=
ghJ联立求解可得 u*

风沙流的运动及结构特点(教育类别)

18
培训类
风沙流结构第二定律
风沙流浓度随高度按指数衰减，其相对衰减率随风速和沙粒粒径的增大而减小
Q=a*bH
19
培训类
风沙流结构的第三定律
0-10cm高度层内，风沙流中的输沙量与2米高度风速呈现对数函数关系
Q%=C(LnV2+d)k
20
伊万诺夫认为沙粒脱离地表的主要升力是冲击力
董治宝提出质疑
5
培训类
滑移起动学说
6
培训类
沙粒运动方式
7
培训类
越移
跃移也叫跳跃，是指粒径 0.5～0.1mm的中沙和细沙，被风吹起进入气流以后，从气流中不断取得动量加速前进，并在沙粒自身重量作用下，以相对于水平线一个很小的锐角迅速下落，形成不规则或延长了的抛物线运动，当沙粒落到地面时，由于动量大可以重新反弹，或溅起其它沙粒继续跃移。一般跃移沙量占总输沙量的3/4，跃移高度距地表不超过2～ 3m，多数距地表l0cm左右，这是沙粒最主要的运动方式。
16
培训类
风沙流结构的研究
17
Байду номын сангаас训类
风沙流的结构式
兹纳门斯基风洞实验结果：第一层（0-1cm）输沙量随风速的增加而减小
第二层不管风速如何变化（1-2cm）输沙量保持不变即等于0-10cm层内总沙量20%
平均输沙量（10%)在3-4cm层内搬运，高度和输沙量保持不变，并不以风速为转移
气流较高层2-10cm中的沙量随着风速的增大而增加
14
培训类
风沙流的结构特点
定义：气流中挟带的沙量在搬运层内随高度的分布状况，称为风沙流结构。
15
培训类
结论

风沙起动规律的研究的开题报告

风沙起动规律的研究的开题报告一、研究背景风沙起动是造成沙漠化和荒漠化的主要因素之一，它不仅直接影响着自然环境的演变，也直接影响着人类的生产和生活。

因此，对风沙起动规律的研究尤为重要。

目前，国内外对于风沙起动规律的研究已经取得了一定的成果。

然而，几乎所有的研究者都认为风沙起动规律的研究还存在着许多不足和空白，而能够探究风沙起动规律的关键因素与机制的深入研究仍然亟待解决。

二、研究意义风沙起动规律的研究不仅可以对沙漠化和荒漠化的成因、机理以及未来趋势进行全面深入的掌握，还可以对人类的生产和生活带来巨大的益处。

如果能深入研究风沙起动规律的关键因素与机制，可以使沙漠环境的恢复、治理、改造以及人类的居住和生产更加科学可行。

三、研究内容本研究将针对目前国内外关于风沙起动规律的研究现状进行调研和分析，寻找关键因素与机制，并在此基础上，对关键因素进行研究，通过建立数学模型来研究其变化趋势，并通过计算机模拟的方式，分析不同因子对风沙起动过程的影响规律，探究风沙起动规律的本质。

本研究将主要从以下几个方面展开：１.风沙粒子的特性研究——了解风沙粒子物理性质、化学性质、形态特征等，基于此探究风沙起动机制；２.风沙起动关键因素研究——通过对风力、沙面、植被、气压等因素的观测和分析，求解关键因素与风沙起动的关系；３.风沙起动规律的建模研究——通过对多因素作用的分析，建立起动规律数学模型；４.风沙起动规律计算机模拟研究——通过风沙起动规律的数值仿真来验证得出的研究结论是否与实际相符。

四、研究方法本研究将采用实验和模拟相结合的研究方法。

具体来说，我们将从实际观测和数据分析入手，采取室内实验、野外观测、气象资料分析、计算机模拟等手段，通过不断检验，深入探究风沙起动机制及其规律。

五、预期成果本研究的预期成果是：１.深入探究了风沙起动规律的关键因素和机制，揭示了风沙起动的本质；２.建立了科学可行的风沙起动规律数学模型；３.发现有效的治理和预防风沙的措施；４.进一步完善了我国沙漠化治理和环保方案，提高了相关部门的决策水平。