风沙物理学 shijuan

一、名词解释
18.曲面附面层分离：指实际流体通过弯曲壁面时，从曲面某一点开始附面层脱离壁面，并产生漩涡的现象（根本原因：逆压梯度）。

24.风沙流结构:风沙流中的沙物质在搬运层内随高度的分布特征。

25.风沙流自平衡机制：风沙流跃移系统因风场和运动粒子的相互作用，而建立一种负反馈机制来控制系统中输送沙粒的总量，这种负反馈调节机制即为～。

23.输沙量／输沙率:风沙流在单位时间内通过单位面积／单位宽度所搬运的沙量。

35.沙城暴策源地：指一次沙尘暴天气过程中，第一次发生在沙尘暴的所有地区中，处于最上风方向的地区。

20.风速廓线：指风速随高度变化的曲线（近地面层风的垂直分布） 31.饱和路径长度:风沙流由吹蚀变为堆积在时间上要有一段间隔,空间上表现为一定的距离,这段距离为～。

33.二次流：边界层气流，由于流场不均匀，将受到横向压力差的作用，发生垂直于主流而指向压力较小一边的附加运动。

1.流体:流体是一种受任何微小剪切力都能连续流动的物质（判断）。

2.黏性:流体微团间发生相对运动时产生切向阻力的性质（产生原因：流体内部分子间吸引力，流体与固体壁面之间附着力作用）。

3.流线:某一相同时刻在流场中画出的一条空间曲线，在该时刻曲线上所有质点的速度矢量均与这条曲线相切（欧拉法）。

4.迹线:单个流体质点在连续时间过程中的流动轨迹线（拉格朗日法）。

5.定常流动:流动参量不随时间变化的流动。

6.非定常流动:流动参量随时间变化的流动。

7.流束:流管内的流体叫流束。

8.流管:由流线围成的管状区域。

9.流量:单位时间内通过某一过流断面的流体量。

10.平均流速:流量和有效截面积的比值。

11.伯努利定律：在一个流体系统中，流苏越快，流体产生的压力就越小。

12.切向应力：单位面积上的切向阻力。

13.层流:在流速较小的情况下，各流层互不混合，只做相对滑动的流动。

14.紊流:流体质点做不规则运动，相互混掺、轨迹杂乱无章的运动形态。

15.层流底层:紊流流动中紧贴固体表面的一层层流流动的物体。

16.粗糙度:固体表面凸出物的平均高度。

17.附面层:指实际流体流过物体表面时，由于黏性的影响，在紧靠物体表面沿法线方向形成的速度阶梯很大的薄层。

（特点：层内物面上流速为0 ，速度梯度很大，层内外没有明显的界限。

19.绝热变化：指当空气团的状态发生变化时，不伴随热量低支出或收入的状态（分为绝热增温，～降温）。

21.起动风速:当风速增大到某一临界值时，地表沙粒从静止状态进入运动状态，这个使沙粒开始运动的临界风速成为～（分为流体起动值：能量来自气流的直接推动；冲击起动值：能量主要来自跃移颗粒的冲击作用）。

22.风沙流:指含有沙粒的运动气流／风通过自己的搬运能力,将地表松散的沙粒吹起纳入气流,并携带着一起运动,这样的二项流叫风沙流。

26.下垫面粗糙度:地表风速为 0 的高度。

27.沙粒形状:沙粒整体的几何形态,用球度表示。

28.沙粒磨圆度:表示沙粒棱角尖钝程度的参数（判断）。

29.休止角:沙物质堆积成丘时,斜坡与水平面所能达到的最大角度。

30.中值粒径:粒径累计曲线上对应重量百分数为 50 的粒径。

32.土壤风蚀:指土壤或其母质在一定风力作用下，土壤结构遭到破坏以及土壤颗粒发生位移的过程。

33.可蚀风：一切超过最小临界启动风速的风。

34.风蚀模数:单位时间单位面积上的风蚀量。

35.土崩:在无保护物地段随顺风距离的增加而加速土壤运动的现象称为土崩。

36.沙尘暴:强风将地面上大量尘沙吹起卷入大气中,使空气很浑浊,水平能见度 1km 的天气现象。

37.风洞:通过人工控制,产生风场的装置。

二、填空
1.风沙物理学界一般将英国物理学家拜格诺于1941年出版的《风沙和荒漠沙丘物理学》作为风沙物理学诞生的标志。

2.风作为矢量，是用风速和风向来表示的。

3.我国气象站台所采用的蒲福风力分级法中，将风力共分为13级，其中大风属于第8级。

4.（黏性）流体运动存在层流和紊流两种不同状态，判别其状态的依据是雷诺数。

5.关于沙粒的启动机制，目前有代表性的风沙起动假说有：压差升力学说（马格努斯效应），紊流扩散与振动学说，冲击碰撞学说（拜格诺：冲击起动值<流体起动值）。

6.影响输沙量的三要素是指风速，沙物质和下垫面特征。

7.根据沙丘与风向的关系，可将沙丘分为：横向沙丘，纵向～，星状～。

12.风产生的主要作用力:水平气压梯度力是形成风的直接动力，在风形成后产生和起作用的力是水平地转偏向力、地面摩擦力、惯性离心力。

13.理查逊数是用于判断大气状态的依据，依据查理逊数可将大气状态分为：层结稳定、中性层结、不稳定层结。

22.风沙／沙粒运动的基本形式:蠕移（约占25%）、跃移（占75%）、悬移（不足5%）。

23. 新月形沙丘是沙漠地区分布最为广泛，形态最简单的一类沙丘。

24.沙丘的移动方式可分为29.沙尘暴形成条件:强风（动力来源）；沙源，干燥丰富的沙尘物质（物质基础）；不稳定的空气层结（局地势力条件）。

31.依据能量来源，土壤颗粒的起动风速分为冲击起动值和流体起动值，对应于两种起动风速存在和两种风蚀方式。

5.流体流动的研究方法:1拉格朗日法(质点法、迹线描述)，2欧拉法(流场法、流线描述) 。

6.连续性方程及其应用:1.一元流动:V1S1=V2S2(速度和过流断面积成负相关）。

7.伯努利方程及其应用: (理想、不可压缩、重力流体、定常流动) ，黏性流体的伯努利方程:
8.局部沿程阻力与沿程阻力表达式:局部损失: 沿程损失:
9.急变流的特征:流线间夹角很大,曲率半径很小；缓变流的特征与前者相反。

当Re<Rec为层流；Re>Rec为紊流。

11.紊流流动的特点：无序性，耗能性，扩散性）。

13.动力玫瑰图的绘制方法：以一年中各风向平均动力风速的平方与该风向的频次之乘积按比例会出。

步骤：1）起沙风统计，2）动力玫瑰图绘制。

14.蒲福风力分级将风分为13个等级：静风，软风，软，微，和，清静，强，疾，大，烈，狂，暴，飓。

15.空气运动的原因：空气团受力，空气团之间存在温度差异。

16.植被冠层的风速廓线：风速沿风向的水平变化，风速的铅直变化特征。

16.沙物质的形成：剥离作用，胀裂～，风力磨蚀～，水、冰的碾压～。

17.沙物质的来源：河流冲积物，冲积－湖积物，洪积－冲击物，基岩风化的残积物。

18.颗粒的粒度分级：1）真数，mm；2）粒径的对数值。

（粒径越小，对数值越大；粒径越大，粒级间的间距越大）（判断）。

19.粒度参数:当量直径、中值粒径、平均粒径、标准差、偏差、峰态。

23:影响沙粒旋转运动的因素：沙粒的粒径，起跳角，运动形式。

24.风沙流的结构特征指标：1判断风沙流的饱和程度（饱和，不～，过～）；2判断地表的蚀积状况（风蚀，非堆积搬运，风积）。

26.风沙地貌类型:1）风蚀地貌类型:风蚀蘑菇、风蚀柱、风蚀残丘、风蚀雅丹、风蚀谷、风蚀洼地；2）风积地貌类型:大尺度地貌-沙漠与沙地、黄土高原;中小地貌-各种沙丘(新月形沙丘为代表);微地貌-沙波纹(沙
纹、沙脊、沙条) 。

27.土壤风蚀过程:1）可蚀风作用下,分分离起跳、搬运、沉积 3 个阶段2）土壤颗粒的起动:起动风速;土壤颗粒的的运动:三种方式;土壤风蚀量与尘粒浓度;土粒沉积3土壤风蚀的顺风发展:土崩4土壤风蚀的分选作用:土壤表层粗化5风力侵蚀方式:吹蚀、磨蚀。

28.沙尘暴分级:1）特强沙尘暴,≥10 级,瞬间最大风速
≥25m/s,能见度 <50m；2）强沙尘暴, ≥8 级,≥20m/s,能见度 <500m；3）沙尘暴,6-8 级,≥17m/s,2 级,能见度 <1000；4）扬沙,能见度 1000-10000m；5）浮尘，<10000。

30造成气候干燥的原因：纬度和大气环流因素；海陆分布和地势的影响。

30.风洞必须满足的相似条件：几何相似，运动～，动力～。

1.流体特征:流动性。

2.流体主要物理性质:质量(密度)，重量(重度)，压缩性与膨胀性，粘性(粘度)。

3.牛顿内摩擦公式及其应用:τ/F＝μAV／h(τ—内摩擦力; u—流动速度μ—流体粘度; A—与流体接触的面积) 4.作用在流体上的力:1表面力（压力、摩擦力(粘性力)），2质量力（重力、惯性力、向心力）。

三、简答
2.沙物质水分状况的特殊性及原因：特殊性表现在沙丘表层有一定厚度的干沙层，其下保持着较稳定的湿沙层，原因分为：1）有特殊的气候条件（风大，辐射强，降水少，蒸发大）；2）沙土孔隙度大，渗透性强，毛管作用弱，水分输出多；3）导热，导温性查。

2.简述风沙流蚀积原理：就某一地段而言，当跃起的沙粒数量多于跌落的沙粒数量时，即为吹蚀，反之为风蚀；当跃起的沙粒数量与跌落的沙粒数量基本相同时，成为非堆积搬运。

3.戈壁与流沙上风沙流结构的差异性及原因：1）差异性：a戈壁风沙流的总体分布高度远远大于沙质地表风沙流，b同风速的情况下，戈壁风沙流中沙量随随高度增加而减少，其递减率小于沙质地表。

随着风速的增大，戈壁风沙流中的沙量随高度增加，不同高度层内沙量的递减率相对较慢，但流沙地表风沙流的这种减小很快。

2）原因：砾质戈壁组成物质粗大，地表坚实且远远高于流沙地表，风沙流中降落的沙粒与砾石床面碰撞过程中能量损失很小，几乎是完全的弹性碰撞，沙粒弹跳高度大。

分散在较高的空间能过利用利用不同高度气流的能量较充分，颗粒获得大的动量。

所以砾质戈壁风沙流的分布高度就大，沙量随高度增加而减小的递减率就小。

4.抛物线形沙丘的形成原因是：抛物线形沙丘是一种较特殊的固定和半固定沙丘形态。

其形态特征与新月形沙丘相反，即沙丘两翼指向来风风向（上风向），迎风坡平缓而凹进，背风坡陡急呈弧形凸出平面图形好似一条抛物线。

抛物线沙丘的形成，植物起重要作用。

如在水分条件比较好的地面，沙丘的两侧边缘植物一般生长良好，从而阻碍的移动，沙丘中都没有植被固定的部分，在风力作用下继续前移，最初略微向前突出，以后就逐渐形成弧形的抛物线沙丘。

5.沙区昼夜温差大的原因：沙物质热容量小，导热率低，导温率低。

6.沙丘移动的影响因素：
7.新月形沙丘的形成过程：沙斑（遇阻堆积）－饼状沙堆（遇阻堆积＋二次流作用）－盾状沙堆－雏形新月形沙丘－新月形沙丘（遇阻～＋～＋附面层分层作用）。

1.风的受力分析：水平气压梯度力士形成风的直接动力，是最基本的力，它既可以改变空气水平运动的速度，又能使空气由静止状态变为运动状态。

而水平地转偏向力、惯性离心力、地面摩擦力都是在风形成后产生和起作用的，一般对于大范围的空气运动必须考虑水平地转偏向力的作用，对于曲线运动须考虑惯性离心力的作用，在讨论摩擦层空气的运动时须考虑地面摩擦力。

3.拜格诺实验表明：当沙粒粒径小于某一临界粒径时（0.08mm），沙粒大启动风速反而要增大。

解释：1）水力光滑效应；2）细小颗粒的特殊理化性质引起凝聚性（巨大的表面能，带电性）；3）粗糙度小，颗粒的特殊理化性质，持水力增大等多因素综合作用的结果。

5.戈壁地区风蚀潜力大的原因：1）戈壁风沙流分布高度高，沙粒在较高的空间，利用不同高度气流的能量较充分，颗粒获得大的动量；2）地表沙物质供应往往不充分，使得戈壁风沙流常处于非饱和搬运状态，故风蚀作用强烈。

6.沙粒起动机制:沙粒的启动的驱动力主要是气动力,决定性的力是驻点升力。

一股垂直的气流吹向沙面可以使沙粒“四射飞溅”这一简单的现象就是一个佐证。

驻点升力可以说是绕流升力的一种极端形式,它是把所有的气流动能在瞬间全部转换成压力能。

驻点升力的产生过程受几种因素的制约。

1）由于表面沙粒间的空隙使气流形成“死区”； 2）由于沙面本身的粗糙度造成微区域气流的改变3由于地面的不平整性产生了非平行气流。

8.新月形沙丘的运动过程：1）当起风沙风向与沙丘轴向一致或轴向偏角不大时：在与沙丘轴向偏角小于45度的风作用于沙丘时，沙丘运动并不是按气流方向前进，而总是以垂直于沙丘脊线的方向移动；2）当次方向风与沙丘轴向夹角很大时：在次方向风作用下，沙丘的吹蚀和堆积部位将发生变化，重塑沙丘形态以适应新的气流条件；3）当与主风向相反的反方向风作用时：迎风坡与背风坡互换角色，但因新的迎风坡坡度较陡，风力不足以将沙粒沿坡向上搬运，反而还堆积了气流携带的沙粒，所以沙丘不但没有后退，反而向前移动了。

11.沙纹形成过程:天然风成沙沙纹的形成过程可分为以下 4 个阶段:1在起沙风的作用下,较大的颗粒首先聚集, 形成不规则的、与风向垂直的非常细小的沙纹,而且长度也很短,这个过程非常快,约几秒或几十秒;2小沙纹整体向前运动,相互间开始合并,沙纹变长、变宽、变高,但仍以粗大颗粒为主;3沙纹继续合并、链接,但粒级组成变得复杂起来,逐步发育成形态完整的雏形沙纹,整个过程持续的时间最长,约几分钟;4雏形沙纹进一步增长, 形成接近相等间距的、有规律地排列的成熟沙纹,并以几乎一致的速度向前运动,这时在沙纹的表面上可发现分布着次一级的小沙纹。

12.植被和残茬覆盖是如何缓解土壤风蚀的：1）植被缓解土壤风蚀的方式有：a植被层覆盖地表，形成隔离层；b枝叶削弱气流能量；c拦截运动的土粒；d根系固结土壤，提高土壤抗风蚀性。

2）残茬覆盖对土壤的影响方式：与植物类似但不完全一样，表现在a覆盖地表，形成隔离层；；b枝叶削弱气流能量；c拦截运动的土粒；d根系固结土壤，提高土壤抗风蚀性；e残茬覆盖使土壤蓄积更多水分。

9.影响沙粒起动因素:1）起动风速一般情况下与粒径的平方根成正比(级细的沙由于受到层流底层掩护、内聚力、摩擦力的影响,起动风速反而随粒径的减小而增加)；2）沙子含水率越大,起动风速越大；3）地表粗糙度越大,起动风速越大。

12.土壤风蚀影响因素:1侵蚀性因子:1.气候因子:风速、温度、降水等 2.粗糙度因子:植被(高度与盖度)、作物残留物覆盖、土块和难蚀性碎片、土垄、防护林和风障(降低风速,产生涡旋,消耗气流能量,改变气流特性)、地形(气流爬坡加速,坡面颗粒起动风速随坡度增加而增大)2可蚀性因子:1.受水和雨滴的粘结力和耗散力影响土壤抗蚀稳定性 2.土壤结构体抗机械破坏的稳定性如耕作、磨蚀和风力的直接作用 3.土壤结构体的状态,如可蚀与不可蚀颗粒的大小、形状、密度等 4 可蚀性基本因子(土壤质地、水稳
定性结构、土壤有机质、土壤微生物、土壤水分、碳酸钙、有机质分解的各种产物和土壤胶体物质等).
论述题：
1.新月形沙丘形成机制:气流在运动过程中,遇到障碍物就会形成沙堆。

地面沙堆形成后,沙堆本身就成了风沙流运动的障碍。

在沙堆背风坡附面层发生分离,形成具有水平轴的涡旋,速度减弱使气流搬运来的沙子在沙堆背风坡的涡旋区内不断聚积。

随着沙子的不断沉积和沙堆尺寸的增长,背风坡沉积量最大点便相对更接近沙丘顶部,使得沙堆背风坡的上部比下部前进得更快,坡面不断变陡。

最后,当坡度达到沙子的最大休止角(约 34 度)以后,便形成了沙丘的最初形态—盾形沙丘(沙饼)。

气流通过这样一个突起的地面时,在背风坡的低处风速减小,前方压力比后方要大,结果产生涡流,并开始在背风坡形成浅而小的马蹄形凹地,进而过度到雏形新月形沙丘。

随着雏形新月形沙丘的不断堆积增高,气流分离越来越厉害,涡旋尺度和强度都不断加大,小落沙坡进一步扩大。

在同一发展过程中,沿沙堆两侧绕过的气流将沙子搬运到前方堆积(由于两侧较顶部低矮,移动比较快),形成了两个顺着风向延伸的兽角(翼)。

这样,就形成了典型的新月形沙丘。