第三章 风沙运动-赵媛媛

摩阻起动速度与粒径的关系( (Bagnold, g , 1941) )
任一高度的起动风速（一）
风速廓线方程
高度 度（cm） 20 18 16 14 12 10 8 6 4 2 0 200 400 600 风速（cm/s） 800
z u z 5.75u*lg z0
uz : 高度z处的风速； u*: 摩阻风速； 摩 速 z: 高度； z0: 地表粗糙度， 即地表凸出物的平均高度。
沙尘粒径(mm) 0.001 0.01 0.1 沉速( cm/s) 0.0083 0.824 82.4 空中持续时间 0.95—9.5a 0.83—8.3h 0.3—3s 距 离 高 度
第三章 风沙运动
主要作用力的比较
冲击力最大，超过重力的几十至几百倍； 迎面阻力次之，可 接近重力；上升力仅为重力的几十分之一到几百分之一 。
冲击力 推力 升力1 压差力
第三章 风沙运动
主要作用力的比较
Chepil (1957) 通过风洞实验，认为上升力可能达到推力的同一 数量级， FL ≈0.85FD 凌裕泉和吴正(1980) 利用高速频闪照相(high-speed multiflash photography)对跃移沙粒图象分析结果表明，Magnus force约是 2－8.7 2，Saffman force约是沙粒重力的 沙粒重力的4.2 4 2×10-2 8 7×10-2 3.0×10-2－4.9×10-2。 贺大良等(1989)认为， Magnus力FL1约为重力的18%， Saffman 力FL2约为重力的15%
第三章 风沙运动
主要内容
第一节 单个沙粒的运动


沙粒的起动机制 沙粒的起动风速 沙粒运动的基本形式 沙粒碰撞与旋转

第二节 沙粒的群体运动

风沙流的固体流量 风沙流的结构特征
第三章 风沙运动
单个沙粒的运动

沙粒的起动机制 沙粒的起动风速 沙粒运动的基本形式 沙粒碰撞与旋转
β=0.31，α为内颗粒摩阻角，x为风向与床面法线夹角
第三章 风沙运动
其他因素对起动风速的影响
盐度 Pye等指出，由于胶结作用，沙 体中极少的含盐量可以增加起 动风速。 起动风速随含盐量增加呈自 然指数关系增加（Nickling， 1974）
U st U t e
sS
表面盐类浓度增加对起动摩阻速度的 影响（Nickling and Ecclestone, Ecclestone 1981）
第三章 风沙运动
蠕移 Creep
形成沙波纹(Ripple)的重要原因：即细沙跃移碰撞使粗沙作连 续的表层蠕移而聚积在波脊上
第三章 风沙运动
跃移 Saltation
跃移运动是由风压力和颗粒冲击引起的。沙粒进入气流 之后，不断获得动量加速，同时又在重力作用下降落而撞 击床面，使更多沙粒飞溅起来进入跳跃运动，引起连锁反 应，沙粒的这种连续跳跃运动，称为跃移运动。 跃移运动的沙土颗粒称为跃移质。 粒径：0.05 0 05－0.50 0 50 mm (0 (0.10 10－ 0.15 mm)，细沙粒级 比例：风沙运动的主体成分 比例：风沙运动的主体成分，约 约 占总输沙量的75％（Bagnold） 沙质地表上， 沙质地表上，一般 般90%以上的跃 移质在地表附近30cm内运动。
40 30 20 10
起动风速与沙粒粒径 平方根成正比的关系 平方根成 的关系 仅存在于一定粒径范 围内。 拜格诺的实验研究表 明 起动风速最小的 明，起动风速最小的 石英沙粒的临界粒径 为0.08mm，小于该 粒径时起动风速反而 要增大。
第三章 风沙运动

1
10
40 80 100 d (μm)
1000 3000
2 Fs 1.61 f f d p Vr
u f z
0.5
第三章 风沙运动
上升力FL (Lift force)
(1) Magnus力Fm：由于颗粒旋转
Fm
p ：颗粒旋转速度 颗粒旋转速度
ur d 2 f
8
第三章 风沙运动
冲击力
F=
m u2－ m u1 t
t 力作用时间 u1、u2 颗粒碰撞前后速度
第三章 风沙运动
单个沙粒的运动

沙粒的起动机制 沙粒的起动风速 沙粒运动的基本形式 沙粒碰撞与旋转
第三章 风沙运动
沙粒运动的基本形式
宏观
第三章 风沙运动
沙粒运动的基本形式
微观
第三章 风沙运动
沙粒运动的基本形式
风通过自己的搬运能力 ，将地表疏松的沙粒纳 入气流，并携带着 起 入气流，并携带着一起 运动，便形成风沙流。 根据风力、沙粒大小和 根据风力 沙粒大小和 质量不同，沙粒有三种 基本运动形式
第三章 风沙运动
跃移 Saltation
在一定风力条件下，沙 在 定风力条件下 沙 粒跃移运动特征还取决于 所处的地面性质。 坚硬地面条件下，跃移 颗粒和地面碰撞时 反弹 颗粒和地面碰撞时，反弹 多，飞溅少。消耗于地面 的能量减小，因而沙粒碰 后反弹跳得更高、更远。
第三章 风沙运动
跃移 Saltation
第三章 风沙运动
如何有效预防沙尘暴？
第三章 风沙运动
其他因素对起动风速的影响

坡度
床面坡度对起动风速的影响 （Dyer,1986)
Howard(1978)
U *2t F 2 d
F
tan cos sin
2 2
2
x sin 2 cos x sin

p g
第三章 风沙运动
土壤含水率如何影响起动风速？
起动风速随土壤含水率的升高 加大 土壤中的水 起动风速随土壤含水率的升高而加大。土壤中的水 分加强了沙粒间的团聚作用，因而起动风速增加。

第三章 风沙运动
地表覆盖植被如何影响起动风速？


实验研究表明，地表植被盖度与地表粗糙度呈正相关；植 实验研 表明， 表植被盖度与 表粗糙度 相关；植 被盖度增加，沙粒的起动风速会明显增大。 这一思想也正是风沙源治理的主导思想。
驻点升力——丁国栋，2008
第三章 风沙运动
沙粒起动的几种形式
升力FL 推力FW 有效重力FG
振动
Hale Waihona Puke Baidu
滚动
飞升
其他颗粒 冲击
跳跃
第三章 风沙运动
沙粒的起动机制
冲击起动说 振动起动说 斜面飞升说 风压起动说 压差起动说 Magnus起动说
接触力为主
非接触力为主
猝发起动说 负压起动说 涡旋起动说
第三章 风沙运动
悬移 Suspension
颗粒保持一定时间悬浮于空中而不接触地面，并与气流 相同的速度前进，称为悬移运动。 呈悬移运动的沙土颗粒称为悬移质。 粒径：一般< 0.10 mm 或 < 0.05 mm，接近粘粒的粒级 比例： 比例 < 5%(Bagnold) 5%(B ld)，甚至 甚至< 1% (Tsoar (T & Pye, P 1987) 沙尘暴(浮尘)和黄土沉积的重要来源
起跳角α：一般大于30 °，多在30～50°之间 降落角β：一般小于30 °，多在10～16°之间 沙粒在运动过程中高速旋转，（数百到一千转）／秒
第三章 风沙运动
跃移 Saltation
第三章 风沙运动
主要研究手段

高速频闪照相/摄影 风洞实验
高速频闪光下沙粒的各种运动状态 （刘贤万等，1989）

A
第三章 风沙运动
上升力FL (Lift force)
( ) Saffman力Fs：气流的剪切 (2) 气流的剪切 The Saffman lift force is due to the pressure distribution on a particle due to rotation induced by the velocity gradient of fluid (Crowe et al., 1998)
摩阻起动风 风速u*t（m m/s） 10 1.0 0.8 06 0.6 0.4 0.2 30
地表粗糙 地 糙度z0（m）
0 020 0.020 0.016 0 012 0.012 0.008 0.004 0 10
20 30 40 50 0 5 10 15 20 25 植被盖度（%） 植被盖度（%） （Li et al., al 2005; Kimura et al., al 2010）
跃移：轨迹方程——抛物线
V 2 V0 s d ƒ
y
2V s d ƒ
2s gd d x x 3C 3CV 2
α
半球形
X max
2V0 2 (ax g sin ) L1 (g cos ) 2
β
arctg gcos 2(ax g sin )

第三章 风沙运动
摩阻起动风速
力矩平衡
d d FW sin FG cos 2 2

FW
s u*t A gd d
FG
A 经验系数；ρs沙粒密度；ρ 空气密度；d 沙粒直径；g 重力加速度。
第三章 风沙运动
起动风速与沙粒粒径的平方根成正比？
60 50 u* (m/s)

水土保持与荒漠化防治专业课程《风沙物理学》之
第三章 风沙运动
赵媛媛 yuanyuan0402@126.com
课程安排
绪论 风沙物理的基础知识 风及其基本性质 流体力学基础 风沙运动 风沙地貌动力学机制 土壤风蚀与防治 风沙物理学研究方法
第三章 风沙运动
沙及其基本性质
第三章 风沙运动

沙尘暴也属于风沙运动的范畴。
第三章 风沙运动
悬移 Suspension
Von Vo Karman给出细沙土颗粒在空气中的持续时间与所能 达到的距离：
空中停留时间
40 t 2 2 4 s g d
2
空中漂流距离
40 2u L 2 2 4 s g d
颗粒在风力吹扬下(平均风速15m/s)所能达到的距离 及高度(钱宁等 1983)
第三章 风沙运动
沙粒受力分析

有效重力 推力 升力 冲击力
升力FL
风向
冲击力 2.45×102 重力 推力 7.19×10-1 重力 升力 12.33×10-2 重力
推力FW
有效重力FG
（据吴正，风沙地貌学）
第三章 风沙运动
有效重力FG
有效重力为重力与流体浮力之差。
FG = (ρs -ρ) gπd3/ 6
沙粒以什么样 的方式离开地表 进入气流 由于 进入气流。由于 问题的复杂性和 研究手段的限制 ，只能在观测的 基础上对沙粒起 动进行简单理论 推断 提出各种 推断，提出各种 假说。
第三章 风沙运动
单个沙粒的运动

沙粒的起动机制 沙粒的起动风速 沙粒运动的基本形式 沙粒碰撞与旋转
第三章 风沙运动
第三章 风沙运动
推力 FW (Drag force)
摩擦力FW1 (Skin friction drag)：气流与颗粒表面摩擦而产生 压差力FW2 (Pressure drag)：作用于颗粒上的风压力
推力的表达式 其大小为 推力的表达式，其大小为：
1 2 FW C D AVr 2
Vr
CD
：气流与沙粒的相对速度 ：阻力系数 ：空气密度 空气密度 ：颗粒迎风面积
蠕移运动 (Creep) 跃移运动 (Saltation) 悬移运动 (Suspension)
不同粒径沙粒的运动方式 (Holy, 1980)
第三章 风沙运动
蠕移 Creep
沙粒沿地表的滚动或滑动，称为蠕移运动。 蠕移运动的沙土颗粒称为蠕移质。 粒径为0.5－2.00 mm的沙粒（粗沙粒级）， 的沙粒（粗沙粒级），一般属于蠕移质。 般属于蠕移质。 比例：20-25％（Bagnold），15.7-24.9％（Chepil）
风速廓线（据拜格诺，1954）
第三章 风沙运动
任一高度的起动风速
s u*t A gd
z u zt 5.75u*t lg z0
s z u zt 5.75 A gd lg z0
A 经验系数，一般取值 经验系数 一般取值0.1 0 1；ρs沙粒密度；ρ 空气密度；d 沙粒直径； g 重力加速度；z为高度；z0为地表粗糙度。
沙粒的起动风速
当风力增大到某一临界值 某 临界值时，地表沙粒就开始脱离 时 地表沙粒就开始脱离 静止状态而运动，这个临界风速称为起动风速。 • 起动风速一般约为 起动风速 般约为 4.5～5m/s
• 裸露、干燥、无遮挡的沙地 • 粒径大小（0.1-0.5mm 0 1-0 5mm） • 近地面（约2m）