风沙物理学复习资料
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p V p V 总流的伯努利方程： z1 1 1 1 z 2 2 2 2 hw 2g 2g
2 2
l V2 V 9.局部沿程阻力与沿程阻力表达式：局部损失： hj 2 沿程损失： hf d 2g 2g
10.流体流动的状态及其判别：①Re<2000 层流②Re>13800 紊流 11.平表面风速分布公式：①紊流光滑区：V
水保 08-1 by NwkerWang
一、基本概念 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。 2.粘性：流体层相对滑移时产生切向阻力的性质。 3.流线：在某一时刻曲线上任何一点的速度时量总是在该点与该曲线相切，此曲线即为流线。 4.迹线：流体质点的运动轨迹即为迹线。 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：在流场中画一条不是流线的封闭曲线，通过曲线上各点作流线，这些流线组成的管状表面叫流管。 9.流量：单位时间内通过某一规定表面的量。 10.平均流速：流量和有效截面积的比值。 11.急变流：流线间夹角很大，曲率半径很小。 12.缓变流：流线间夹角很小，曲率半径很大。 13.层流：有规则的、互不混掺的、以流体层形式的运动。 14.紊流：相互混掺的、杂乱无章的运动。 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：平表面上风速从零急剧增大到与来流速度相同数量级的薄层。 18.起动风速：能够使沙运动的风速。 19.风沙流： 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。 20.输沙量：风沙流在单位时间内通过单位面积的沙量。 21.风沙流结构：风沙流中的沙物质随高度的分布特征。 22.下垫面粗糙度：地表风速为 0 的高度。 23.沙粒形状：沙粒整体的几何形态，用球度表示。 24.沙粒磨圆度：表示沙粒棱角尖钝程度的参数。 25.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。 26.中值粒径：粒径累计曲线上对应重量百分数为 50 的粒径。 27.饱和路径长度：气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，这段距离称为饱和路径 长度。 28.土壤风蚀：土壤及其母质在风力作用下剥蚀、分选、搬运的过程。 29.风蚀模数：单位时间单位面积上的风蚀量。 30.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。 31.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。 32.风洞：通过人工控制，产生风场的装置。 二、基本知识 1.流体特征：流动性 2.流体主要物理性质：①质量（密度）②重量（重度）③压缩性与膨胀性④粘性（粘度） 3.牛顿内摩擦公式及其应用：
u x u y u z 0 x y z
u x u y 0 x y 二元流动：
8.伯努利方程及其应用： z1
p 1 V1 p V z 2 2 2 C （理想、不可压缩、重力流体、定常流动） 2g 2g
2
2
V12 p2 V2 2 z1 z2 hw 2g 2g 沿流线的伯努利方程： p1
水保 08-1 by NwkerWang
大风速≥20m/s,1 级，能见度 50-200m③中等强度沙尘暴，6-8 级，瞬间最大风速≥17m/s，2 级，能见度 200-500, ④弱沙尘暴，4-6 级，瞬间最大风速≥10m/s，3 级，能见度 500-1000m。 19.沙尘暴形成条件：①大风-动力来源②干燥丰富的沙尘物质-物质基础③不稳定的空气状态-局地势力条件 20.模型试验相似理论（条件与准则） ：①相似定理:几何相似 L/L’=CL 运动相似 V/V’=Cv 动力相似 F/F’=CF②相 似准则数：雷诺数 Re=惯性力/粘性力;弗鲁德数 Fr=惯性力/重力;欧拉数 Eu=压力/惯性力；柯西数；韦伯数。 21.习题：书上所有例题 P5,8,14,15,16,24, 三、基本理论 1.沙物质形成与来源：①沙物质形成：剥离作用、胀裂作用、风力磨蚀作用、水和冰的碾压作用②沙物质来源：来 源于河流的冲击物（干三角洲或冲积扇） 、来源于冲积-湖积物、来源于洪积-冲积物、来源于基岩风化的残积物。 2.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。 3.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。 4.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。 5.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。 6.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).
水保 08-1 by NwkerWang
V1A1 V 2A2 2.多元流动： 7.连续性方程及其应用： 1.一元流动：
( ux ) ( u y ) ( uz ) 0 x y z 定常流动： 不可压流体：
( u x ) ( u y ) ( u z ) 0 t x y z
du （τ—内摩擦力； u—流动速度 μ—流体粘度； z—垂直坐标） dz
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 5.流体静平衡方程及其应用： z1
p1 p z2 2
6.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）
2
2
u
1
k
1
ln
zu C 1 （V 风速 u*摩阻流速 Z 高程 k 卡门常数ν空气的 运动粘度来自C1 积分常数）②紊流粗糙区：
V u
k
ln
z C 2 （C2 积分常数，ε粗糙度，其它同上）
注：尼古拉兹通过实验测得 k=0.4，C1=5.5，C2=8.48 12.风产生的主要作用力：水平气压梯度力、水平地转偏向力、摩擦力、惯性离心力。 13.粒径大小度量指标：当量直径、中值粒径、平均粒径、标准差、偏差、峰态。 14.风沙运动的基本形式：蠕移、跃移、悬移 15.风沙地貌类型：①风蚀地貌类型：风蚀蘑菇、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） 16.沙丘移动速度：源于风沙流运动，宏观上表现为沙丘整体运动的速度 S=Q/γsH（Q 输沙量, γs 沙子重度,H 沙丘 高度） 17.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。 18.沙尘暴分级：①特强沙尘暴，≥10 级，瞬间最大风速≥25m/s,0 级，能见度 0-50m②强沙尘暴, ≥8 级，瞬间最
2 2
l V2 V 9.局部沿程阻力与沿程阻力表达式：局部损失： hj 2 沿程损失： hf d 2g 2g
10.流体流动的状态及其判别：①Re<2000 层流②Re>13800 紊流 11.平表面风速分布公式：①紊流光滑区：V
水保 08-1 by NwkerWang
一、基本概念 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。 2.粘性：流体层相对滑移时产生切向阻力的性质。 3.流线：在某一时刻曲线上任何一点的速度时量总是在该点与该曲线相切，此曲线即为流线。 4.迹线：流体质点的运动轨迹即为迹线。 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：在流场中画一条不是流线的封闭曲线，通过曲线上各点作流线，这些流线组成的管状表面叫流管。 9.流量：单位时间内通过某一规定表面的量。 10.平均流速：流量和有效截面积的比值。 11.急变流：流线间夹角很大，曲率半径很小。 12.缓变流：流线间夹角很小，曲率半径很大。 13.层流：有规则的、互不混掺的、以流体层形式的运动。 14.紊流：相互混掺的、杂乱无章的运动。 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：平表面上风速从零急剧增大到与来流速度相同数量级的薄层。 18.起动风速：能够使沙运动的风速。 19.风沙流： 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。 20.输沙量：风沙流在单位时间内通过单位面积的沙量。 21.风沙流结构：风沙流中的沙物质随高度的分布特征。 22.下垫面粗糙度：地表风速为 0 的高度。 23.沙粒形状：沙粒整体的几何形态，用球度表示。 24.沙粒磨圆度：表示沙粒棱角尖钝程度的参数。 25.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。 26.中值粒径：粒径累计曲线上对应重量百分数为 50 的粒径。 27.饱和路径长度：气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，这段距离称为饱和路径 长度。 28.土壤风蚀：土壤及其母质在风力作用下剥蚀、分选、搬运的过程。 29.风蚀模数：单位时间单位面积上的风蚀量。 30.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。 31.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。 32.风洞：通过人工控制，产生风场的装置。 二、基本知识 1.流体特征：流动性 2.流体主要物理性质：①质量（密度）②重量（重度）③压缩性与膨胀性④粘性（粘度） 3.牛顿内摩擦公式及其应用：
u x u y u z 0 x y z
u x u y 0 x y 二元流动：
8.伯努利方程及其应用： z1
p 1 V1 p V z 2 2 2 C （理想、不可压缩、重力流体、定常流动） 2g 2g
2
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V12 p2 V2 2 z1 z2 hw 2g 2g 沿流线的伯努利方程： p1
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大风速≥20m/s,1 级，能见度 50-200m③中等强度沙尘暴，6-8 级，瞬间最大风速≥17m/s，2 级，能见度 200-500, ④弱沙尘暴，4-6 级，瞬间最大风速≥10m/s，3 级，能见度 500-1000m。 19.沙尘暴形成条件：①大风-动力来源②干燥丰富的沙尘物质-物质基础③不稳定的空气状态-局地势力条件 20.模型试验相似理论（条件与准则） ：①相似定理:几何相似 L/L’=CL 运动相似 V/V’=Cv 动力相似 F/F’=CF②相 似准则数：雷诺数 Re=惯性力/粘性力;弗鲁德数 Fr=惯性力/重力;欧拉数 Eu=压力/惯性力；柯西数；韦伯数。 21.习题：书上所有例题 P5,8,14,15,16,24, 三、基本理论 1.沙物质形成与来源：①沙物质形成：剥离作用、胀裂作用、风力磨蚀作用、水和冰的碾压作用②沙物质来源：来 源于河流的冲击物（干三角洲或冲积扇） 、来源于冲积-湖积物、来源于洪积-冲积物、来源于基岩风化的残积物。 2.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。 3.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。 4.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。 5.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。 6.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).
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V1A1 V 2A2 2.多元流动： 7.连续性方程及其应用： 1.一元流动：
( ux ) ( u y ) ( uz ) 0 x y z 定常流动： 不可压流体：
( u x ) ( u y ) ( u z ) 0 t x y z
du （τ—内摩擦力； u—流动速度 μ—流体粘度； z—垂直坐标） dz
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 5.流体静平衡方程及其应用： z1
p1 p z2 2
6.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）
2
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u
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k
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ln
zu C 1 （V 风速 u*摩阻流速 Z 高程 k 卡门常数ν空气的 运动粘度来自C1 积分常数）②紊流粗糙区：
V u
k
ln
z C 2 （C2 积分常数，ε粗糙度，其它同上）
注：尼古拉兹通过实验测得 k=0.4，C1=5.5，C2=8.48 12.风产生的主要作用力：水平气压梯度力、水平地转偏向力、摩擦力、惯性离心力。 13.粒径大小度量指标：当量直径、中值粒径、平均粒径、标准差、偏差、峰态。 14.风沙运动的基本形式：蠕移、跃移、悬移 15.风沙地貌类型：①风蚀地貌类型：风蚀蘑菇、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） 16.沙丘移动速度：源于风沙流运动，宏观上表现为沙丘整体运动的速度 S=Q/γsH（Q 输沙量, γs 沙子重度,H 沙丘 高度） 17.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。 18.沙尘暴分级：①特强沙尘暴，≥10 级，瞬间最大风速≥25m/s,0 级，能见度 0-50m②强沙尘暴, ≥8 级，瞬间最