风沙流研究的历史_现状及其趋势

Α= 0. 25 + 0. 33V 0 U 3 , V 0 为 颗粒沉速
q = K1U 3 (U 3 - U 3 t ) ( K2U 3 + K3U 3 t+ K4) (So ren sen〔52〕)
k1, k2, k3, k4, 是颗粒飞行轨迹, 碰撞机制, 以及与气流的作用 有关的系数
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Ξ 国家自然科学青年基金资助 (49601002
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技术仍在利用, 理论分析继续沿用〔19〕, 考虑到对风沙运动固有的复杂性以及计算机的飞速 发展, 不少年轻学者采用了数值模拟方法, 得出了不少重要结论〔20〕。此阶段的研究水平可以 两次国际风沙物理会议论文集为代表〔21, 。 22〕 最近几年, 传统的风洞实验多考虑了湿度、植 被、坡度、粗糙度等对风沙流的影响, 更有不少人重视各种自然环境条件下 (如海滨、沙丘地、 农田、盐湖) 风沙流的时空变化规律, 以满足实际工作的需要。这期间我国学者刘贤万教授的 《实验风沙物理与风沙工程学》〔23〕是一部重要著作, 基本上代表了国内风沙物理的研究水 平。
第 3 期 李振山 倪晋仁 风沙流研究的历史、现状及其趋势
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析模型根据实际观测、实验结果, 建立输沙率与气流速度的半经验统计关系, 此类研究结果 很多, 尚不能一一列举。究竟那种模型更切合实际, 现在很难做出定论, 不过不同模型之间的 预测结果相差确实很大。
表 2 风沙流结构 T ab. 2 D istribu tion of m a ss flux w ith heigh t.
(H su〔46, 47〕)
q=
c (d
D ) n (Θ g) (U 3 -
U3
t)U
2 3
(L e t tau〔48〕)
q= (U f U 3 t) (Θ g) (U 3 - U 3 t)
U
2 3
(
Ive rsen〔49〕)
参数说明
q 为输沙率, d 为粒径 D 为标 准粒径, 为空气密度, g 为重力 加速度, U 3 为 摩 阻 速 度, C , k 为系数
李振山 倪晋仁
(北京大学城市与环境学系 北京 100871)
提 要 本文扼要回顾了风沙流的研究历史; 简明评述了颗粒运动特征、风沙流结 构、输沙率模型、起沙风模型、表面气流变化、风沙两相流等研究现状内容; 就目 前研究中存在的问题、研究趋势等方面作了探讨。 关键词 风沙流 研究现状 研究趋势
风沙流是风与其所携带的沙物质组成的气固两相流, 是风沙物理的核心内容, 也是风沙 地貌、沙漠化、防沙工程的基础理论之一, 在整个风沙学科中占有极其重要的地位; 因而半个 多世纪以来, 引起了国内外学者的热切关注, 取得了一定的成果。但与建立完善的理论体系, 广泛而又成效地应用于生产实践的目标还有一段距离, 有许多工作要做。 与国际上相比, 国 内风沙流研究稍显薄弱, 整体研究水平欠高, 这与我国沙漠化危害程度、防沙治沙的重要性 不十分相称。 如何在较短时间内革新、创建研究手段、方法, 提高研究水平, 这是从事风沙流 研究人员面临的问题。 有鉴于此, 简要介绍风沙流研究历史, 述评研究现状, 提出存在问题, 辩晰发展方向, 明确国内研究优劣势就显得很有必要。
75- 90〔8, 12〕, 20- 40〔26, 30〕, 30- 80〔29〕, 平均为 50〔27〕
是碰撞速度的 0. 5- 0. 6 倍〔19, 26〕 转 速 ( 转 秒) : 200 - 400〔11〕, 100 - 1000〔29〕, 350 400〔32〕
蠕移颗粒运动速度测量很少
颗粒与床面的碰撞点与起跃 点不重合〔26〕, 重合〔27, 33〕 多数认为颗粒经常连续跳跃 碰撞角随摩阻速度增大而减 少〔34〕 颗粒可分为碰撞其它颗粒的 高跃移颗粒和被碰起的低跃 移颗粒〔35〕
2. 2 风沙流结构 众多学者对风沙流中沙量的垂直分布作了研究, 均认为呈指数规律递减〔36, 19, 10〕, 但由于 使用方法和研究区下垫面状况及气流性质不同, 具体结果差异较大 (表 2)。需要指出的是含 沙量分布多指颗粒流率分布, 颗粒浓度分布常通过构造数学模型推算〔37〕。颗粒形状、粒径对 风沙流的影响以及风沙流结构特征值亦作了探讨。 另外, 随着风速增大, 风沙流底层含沙量 的百分含量反而减少。 2. 3 输沙率模型 现已提出多种输沙率模型, 基本上可分为三大类: 理论分析模型、数值模拟模型和统计 分析模型。理论分析模型根据运动颗粒与气流之间的动量、能量等平衡原理建立输沙率与摩 阻速度和临界摩阻速度之间的关系, 按具体的函数形式可分为五类 (表 3)。数值模拟模型不 寻求输沙率与风速之间的简单关系, 而是将风沙运动分为几个子过程, 如颗粒与床面碰撞过 程, 颗粒飞行过程及气流的适应过程等, 然后分别加以模化, 综合预测输沙率〔45, 。 46〕 统计分
颗粒流率垂直分布特征
多数颗粒在 0- 2cm 内传输〔8, 38〕 57% 的沙量在 0- 5cm 内传输〔12〕 90% 的沙量在 0- 10cm 内传输〔39〕, 0- 30cm 内传输〔40〕, 0- 87cm 内传输〔36〕 79% 的沙量在 0- 1. 8cm 内传输〔41〕
颗粒流率垂直分布规律 结构特征值
1 简要历史回顾
对风沙流的系统研究始于本世纪三十年代。在三十到五十年代期间, 英国工程师拜格诺 (R. A. B agno ld) 吸收同时代流体力学研究的最新成果, 经过多次利比里亚荒漠考察〔1, 2, 3〕, 和 一系列风洞实验〔4, 5, 6, 7〕, 最后出版了至今是风沙运动研究中最重要的著作—《风沙物理及荒 漠沙丘物理学》〔8〕。也正因如此, 书中的某些观点反而成为束缚人们思想的桎梏。美国土壤学 家切皮尔 (W. S. Chep il) 领导的小组对土壤风蚀做了系统研究〔8, 9, 10, 11, 12, 13, 14〕, 既增强了对风 沙流的理解, 也为风沙应用研究树立了典范。前苏联学者的风沙流研究可以兹纳门斯基为代 表, 主要研究各种粗糙表面的风沙流蚀积规律〔15〕。 日本学者河村龙马等也对风沙运动进行 了研究〔16〕。我国由于风洞建成较晚 (1963 年正式投入使用) , 风沙流研究工作多在野外。六七 十年代, 各国学者竟相利用高速摄影技术, 结合理论分析对单一颗粒的运动特征进行了深入 细致的研究〔17, 18〕, 但却没有较为系统的风沙流论著出现。八十年代到九十年代初, 虽然摄影
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第 12 卷
虽然颗粒起动模式仍有异意, 但与输沙率模型相比, 临界起沙风速研究却基本上取得了 共识, 一致认为拜格诺 (B agno ld) 提出的模型与室内外观测结果吻合很好〔53, 54, 。 55〕 坡度、湿 度、盐度及植被盖度均会提高临界起沙风速 (表 4)。其它因素对临界起沙风速影响定性描述 较多, 如: 角形颗粒冲积起动速度比圆形颗粒大〔56〕; 混合沙比单一粒径起沙风速小〔57〕; 不可 蚀因子盖度会增加起沙风速, 但低密度状况却会降低起沙风速, 其密度分布存在对起沙风速 无影响的临界状况〔58, 59〕; 表面结壳、粘土、淤土及有机质含量均会提高起沙风速〔60, 。 61〕
湿度影响
U 3 tw = U 3 t (1. 8+ 0. 61logΞ) (B e lley〔67〕) U〔4〕3 tw = U 3 t+ 7. 5W (Ho t ta e t a l〔68〕)
U 3 tw = A [ (Θp - Θ) ]1 2 [ 6sin2Α Πd3) (Θp - Θ) Fc+ 1 ]1 2 (M ckenna- N eum an et a l〔69〕)
表 4 临界起沙风 T ab. 4 T h resho ld shea r velocity.
颗粒起动模式
滚动、滑起→起跳 (B agno ld〔8〕) 振动→起跳 (B isa l &M elesem〔62〕) 斜面飞升 (贺大良, 刘大有〔63〕) 振动、滑动、滚动→起跳 (凌格泉、吴正〔43〕)
W 为土壤湿度 Fc 为毛管吸引力
盐度影响 U 3 ts= U 3 t (0. 97exp 0. 1031S (N ick ling et a l〔70〕) 植被影响 U{ vt= U{ t (1- KC ) (B uckely〔71〕)
第 12 卷 第 3 期 干 旱 区 资 源 与 环 境 V o l. 12 N o. 3 1998 年 9 月 Jou rna l of A rid L and R esou rces and Environm en t Sep t. 1998
风沙流研究的历史、现状及其趋势Ξ
(U 3 t U 3 t0) 2= 1. 743sin (Α+ Η) (A llen)〔65〕)
(U 3 t U 3 t0) 2= co sΗ+ sinΗ tanΑ ( Iversen et a l〔66〕)
Β
Β= 0. 31, Α为内颗粒 摩 阻 角, Η为 床 面 坡 度, x 为风向与床面 法线的夹角, U 3 t0 为 平地上的起沙风
模型类型
q=
AU
3 3
q= A (U 3 -
U
3
t)U
2 3
表 3 输沙率模型 T ab. 3 M odels of tran spo rt ra te.
模型具体形式
q=
c
(d
D)1 2(
g)U
3 3
(B agno ld〔8〕)
q=
c (d
D)3
4(
g)U
3 3
(Z in g g〔42〕)
q= k×10- 4 (1 gd) 3 2U 3
临界起沙风模型 U 3 t= A ( (Θp - Θ) gd Θ) 1 2 (B agno ld〔8〕)
坡度影响
U
2 3
t
=
Fd ( ( tan2Αco s2Η-
sinm 2x sin2Η) 1 2 -
co sx sinΗ) , F =
(g (Θp - Θ) Θ) 1 2) (How a rd〔64〕)
q (z) = [ a (z+ c1) ]1 n (Zingg〔42〕) q (z) = qoexp (- nz) (W illiam s〔38〕) q (z) 为高度 z 的输沙率, qo 为 z= 0 的输沙率, a, c1, n 为系数
S= Qm a s Q , Qm ax 为 0- 1cm 输沙量, Q 为 0- 10cm 平均输沙量〔15〕 Κ= B A , B 为 0- 1cm 内输沙量, A 为 3- 10cm 内输沙量〔43〕 S 或< 1 发生堆积; = 1, 无蚀积现象; > 1, 发生吹蚀
U3t) U3t)
q=
A
(U
2 3
-
U
2 3
t)U
3
q= A u3 (U 3 - U 3 t) (aU 3 + bU 3 t+ C )
2. 4 临界起沙风速
q=
Α(Θ
g)
(
u
2 3
-
Uபைடு நூலகம்
2 3
t)U
3
(Ow en〔23〕)
q=
C1·C2 (Θ g)
(U
2 3
-
U 3 t2)U 3
(K ind〔51〕)
运动特征
说 明
蠕移运动
碰撞角 (度)
跃 碰撞速度
移 起跃角
运 动
(度)
起跃速度
旋转速度
贴地面滚动、滑动。 有间隙性的颗粒集群运动〔24〕 蠕移量: 跃移量: 1∶3〔8〕, 1∶1- 1∶3〔11〕, 1∶7- 1∶ 8〔25〕 10 - 16〔8, 26〕, 6 - 12〔11〕, 4 - 24〔27〕, 3 - 10〔28〕, 10 30〔29〕, 10- 15〔30〕 在很宽的摩阻速度内变化不大〔26〕, 随摩阻速度增大 而增大〔31〕。
U 3 t为临界摩阻速度 U f 为颗粒沉速
q= a (U 3 - U 3 t) (U 3 + U 3 t) 2
q = 2. 78 ( Θ g ) ( U 3 (U 3 + U 3 t) 2 (河村龙马〔16〕)
q = 2. 61 ( Θ g ) ( U 3 (U 3 + U 3 t) 2 (W h ite〔50〕)
2 研究现状述评
2. 1 颗粒运动特征 迄今对单一颗粒运动特征已基本掌握, 但由于颗粒与床面碰撞过程有一定的随机性, 颗
粒各运动参数值的分布范围较宽 (表 1) , 规律性尚不明了。关键是没有获得颗粒与床面之间 碰撞、气流中颗粒之间碰撞过程的清晰物理图象。
表 1 颗粒运动特征 T ab. 1 Fea tu res of gra in m ovem en t.