科尔沁沙地土壤风蚀的风洞实验研究

本文通过风洞实验,对科尔沁沙地植被盖度、土壤含水量、土壤质地与风蚀量的关系,进行了定量研究。探讨了不同植被盖度及沙土含水量抗风蚀的极限值,以及不同粒配风沙土抗风蚀强度。     

影响土壤风蚀主要因素的风洞实验研究

利用风洞实验技术,对影响土壤风蚀的诸因素进行模拟实验,进而定量或半定量地确定各因素在风蚀过程中的作用与关系。土壤风蚀是由自然因素和人为因素相互作用的综合产物,人为因素作用是叠加于自然因素作用之上的加速过程,实验表明,由人为因素引起的风蚀量占总风蚀量的78.6％,而自然因素只占21.4％。     

栅栏对颗粒起动风速影响的实验研究

气流对栅栏的响应可以定量地用沙粒的起动风速来表征。通过风洞模拟实验研究了栅栏两侧不同距离处沙粒的起动风速及运动特征随疏透度和高度的变化关系。根据颗粒运动的不同典型特征,栅栏附近的水平区域可划分为5个区。栅栏的疏透度是决定其最终防护效果的关键因素,紧密型栅栏,尤其是不透风栅栏,其迎风侧脚容易形成堆积。栅栏疏透度为0.3～0.4时相对起动风速最大,疏透度0.3～0.6时能产生最大的有效防护距离。栅栏越低,产生最佳的防护效果所要求的疏透度就相对越小,反之亦然。疏透度0.3～0.4的栅栏在实际应用中可以起到最佳的防风阻沙效果。     

横向沙丘背风侧沙粒风蚀起动的风洞模拟

通过风洞实验,探讨了横向沙丘背风侧“二次流”的沉积学和形态-动力学意义。在不同迎风坡坡度的横向沙丘模型背风侧,我们观测了不同位置沙粒的起动风速以及在临界状态下沙粒的运动特征。结果表明,沙丘背风侧的颗粒起动风速不仅与其距沙丘顶部的距离有关,也与沙丘迎风坡坡度有密切关系。根据沙丘背风侧颗粒运动特征,可以将其划分为向后运动区域、晃动或摆动区域以及向前运动区域,产生这一现象的原因是在沙丘背风坡气流分离、反向涡和气流重新辐合共同作用的结果。在所有的观测结果中,迎风坡坡度为15°的沙丘具有最大的沙粒起动风速和最远的气流重新辐合距离,其原因尚需进一步研究。     

若干特殊地表风蚀的风洞实验研究

经风洞模拟实验,本文对四种特殊地表在净风和挟沙风情况下的风蚀特性,进行了定量的研究。揭示了原始地表结构受人为破坏后,其抗风蚀能力急剧降低的特点。探讨了风成沙粒配、戈壁风蚀平衡与风蚀有关的几个问题。     

风沙流起动阶段沙粒输运特征

为了探究风沙流起动过程中沙粒输运特征,利用PTV测量技术在风洞中对风沙流起动过程进行了测量,分析了沙粒空间分布、沙粒平均水平速度、输沙率、沙粒数密度和输沙通量随时间的变化规律。结果表明：风沙流起动时间大约为1.5 s。起动过程中,输沙率随时间迅速增加,气流中沙粒总数目随时间的变化可表示为指数函数,沙粒数密度和输沙通量随高度的变化均可近似表示为负指数衰减函数。在t=1.0 s时刻的沙粒平均水平速度大于相同高度处以后时刻的沙粒平均水平速度,同一高度处t=1.5 s以后的沙粒数密度大于t=0.5 s、1.0 s时刻的沙粒数密度,同一高度处t=1.5 s以后的输沙通量大于t=1.0 s时刻的输沙通量。沙粒数密度随高度的衰减率一般随时间的增加而减小,并在t=1.5 s后逐渐接近稳定值。     

蠕移沙粒流体起动风速的实验研究

 设计制作了能够有效避免沙槽下风端沙粒塌陷的蠕移沙粒集沙仪,并分析了该集沙仪中集沙槽的高度和厚度对单宽蠕移输沙率实验测量结果的影响,给出了集沙槽的合理高度和厚度;利用该集沙仪在风洞中测量了不同风速下的单宽蠕移输沙率,外推给出了沙粒的流体起动风速。     

海岸湿沙表面风沙传输特征的风洞实验研究

通过湿沙表面风沙传输的风洞实验,研究了湿润海岸风沙流的垂直结构、输沙率随风速与表层湿度的变化规律。输沙测量使用60 cm高直立式积沙仪,湿度（M）为沙面表层1 mm厚的重量湿度值。结果表明,湿沙表面的输沙量和高度呈指数关系。一般,湿度增大,整体输沙率降低,高湿度床面的沙粒有相对更大的比例被传输到更高的位置。比起低湿度（M＜0.587%）沙粒,高湿度（0.587%＜M＜1.448%）沙粒的垂直运动对湿度变化的影响更加敏感,尤其是在跃移层的底部,当M＞1.448%时,输沙率已经很低,小于0.99 g·cm-1·s-1。伴随湿度0.587%和1.448%的过渡,风沙流垂向分布被分为3个不同坡度的区域,曲线坡度反映了沙粒间不同水分存在形式的影响差异。对于跃移沙粒,高湿度表面（M＞1.448%）仅起到了一个传输平台的作用;当表面变干到某种程度（M=0.587%）之前,表面湿度是跃移运动的主要控制因子,然后风速才重新开始影响输沙。     

风沙流中风速纵向脉动的实验研究

在4种风速条件下对风沙流中风速纵向脉动特性进行了风洞实验研究。研究发现，风速纵向脉动很大．不容忽视；脉动绝对大小随进口风速提高有增强趋势，随着高度的增加则变化不大；垂线脉动强度平均值随主流速度基本成正向线性关系；以脉动强度与当地风速之比表示的相对脉动强度随高度增加而降低，并且不同风速条件下相对脉动强度在床面附近相差较大，远离床面则趋向一致。另外，采用幂函数形式可较好地描述风沙流中平均风速的垂线分布。     

半湿润区农田土壤风蚀的风洞模拟研究

 采用风洞模拟手段对地处半湿润区的北京市农田土壤风蚀特征进行研究。结果表明,几类农田的风蚀特征存在较大差距,秋季翻耕不耙平地风蚀强度最大,玉米留茬地次之,翻耕耙平地最弱,垄向和风速对农田风蚀特征影响显著。各类农田风蚀强度均随风速增大呈指数规律增加,初始风蚀强度与风蚀强度增幅之间具有反对应关系,低风速时风蚀强度越大的地类,其风蚀强度随风速增加的越慢。输沙量随高度增加而减少,近地表减少较快,向上随着高度的增加减幅逐渐变缓。低风速时,风蚀物的垂向分布服从幂函数递减规律。随着风速增加,风蚀物粒径不断变粗,风蚀物的垂向分布在近地面服从指数函数递减规律,向上服从幂函数递减规律,并且风速越大,指数函数规律递减层的高度越大。     

植被盖度对沙丘风沙流结构及风蚀量的影响

以科尔沁沙地不同植被盖度沙丘为研究对象,采用野外可移动风洞进行原位测试,开展了沙丘植被盖度对风沙流输沙率影响的研究,探讨了地表风蚀量与风速及植被盖度的关系。结果表明：空气动力学粗糙度随植被盖度增加先平缓后剧烈,与植被盖度相关关系呈三次函数增长。在各植被盖度下各层输沙率均随高度增加而递减,随风速增加而递增。同一植被盖度下风蚀量随风速增加而增大,符合幂函数或二次函数关系,但二次函数相关性更高。同一风速下风蚀量随植被盖度的增加呈阶梯式降低,在盖度小于27%时风蚀量平缓下降,盖度27%~43%时风蚀量急剧下降,盖度43%以上时风蚀量下降重新趋于平缓。相对截留率随风速增大而减小,随植被盖度增加而增大,沙丘草本植被盖度43%以上时具有较好的防风固沙效果,此时平均截留率达88.02%。     

坡面地表下的风场的风洞实验与数值模拟

 针对传统近地层风沙流的理论与数值模拟研究以及风洞实验大多是基于理想条件（平坦床面、定常风速）,而实际风沙运动通常发生在复杂环境下（如复杂地形、湍流结构风场等）,沙漠最基本的地貌形态如沙丘、沙波纹等迎风面坡度对颗粒起动和输沙率影响很大。基于此,应用相位多普勒粒子分析仪（PDPA）对坡面近地表风场进行测量,得到迎风坡及背风坡的风场特性,并且采用SIMPLE算法对坡面风场进行了数值模拟。通过对数值模拟及风洞实验结果进行对比分析后,发现数值模型不仅能够有效地模拟风洞实验中坡面地表的风场特性,而且能够较为直观全面的展现迎风坡面、特别是背风坡面的风场结构特性。     

不同沙源供给条件下砾石床面的风沙流结构与蚀积量变化风洞实验研究

通过对不同沙源供给条件下各种砾石床面的风沙流结构、床面风蚀及堆积沙量变化的风洞实验,结果表明,风沙流结构是判断戈壁风沙流饱和与不饱和的一个重要途径,不同的戈壁风沙流结构对床面输、阻沙特性具有不同的指示意义。近地表0～6 cm高度内的风沙流结构决定了床面的输、阻性质,而6 cm以上的风沙流结构反映了风力对沙物质的输送状况。沙源供给的丰富与否,决定了风沙流的饱和程度,以及风沙流在砾石床面产生的蚀积状况。同等风速条件下,饱和风沙流的输沙率是非饱和风沙流输沙率的2～8倍。在饱和风沙流情形下,床面过程总体以积沙为主,且随风力的增强,床面积沙量急剧增加。在不饱和风沙流情形下,砾石床面总体以风蚀和输送沙物质过程为主,风沙流结构在0～2 cm高度内反映出砾石床面具有明显的阻沙功能,在2～5 cm高度上出现最大输沙值。     

沙粒起动风速的影响因素研究

通过对风场中沙床表面沙粒的受力分析,建立了坡面沙粒起动风速的理论公式,并将计算结果与已有实验研究结果进行了比较,结果表明,给出的理论计算公式是正确的。在此基础上,详细讨论了坡角、风向角、荷质比、电场力以及空气上升力对坡面沙粒起动风速的影响。其结果是：坡角一定时,沙粒的起动风速随风向角的增大而增大;风向一定时,背风坡沙粒的起动风速随坡角的增大而变小;弱电场中电场力对沙粒起动风速几乎没有影响,强电场中随着沙粒荷质比的增大,起动风速明显减小;空气上升力明显使沙粒起动风速减小。     

栅栏绕流减速效应风洞实验模拟

为研究阻沙栅栏的空气动力学效应,利用PIV技术对栅栏绕流的速度场进行了风洞实验模拟,并对其减速效应加以分析评价。结果表明,疏透度对栅栏绕流的平均速度场分布影响比较明显,疏透度越小栅栏后的平均水平风速衰减得越快;栅栏绕流的垂直速度分量在栅栏顶部最大,并随疏透度的增大而减小,影响了栅栏周围沙粒的跃移传输及沉积特征;栅栏后的累计减速率可以用高斯峰值函数来拟合,随疏透度的增大呈先增大后减小的趋势,疏透度η=0.2时累计减速率最大,代表了栅栏减速的理论最佳疏透度。     

旋风分离式集沙仪在风洞内集沙效率的试验研究

为了改变旋风分离式集沙仪本体直径、入口截面宽度、锥体段高度的主要结构参数,在实验室风蚀风洞内分别进行了性能试验,测试了集沙仪的性能参数并进行了分析。结果表明,改变其中一个结构参数的水平,集沙仪平均沙尘收集率在80%~90%之间,而且参数水平的变化对于各粒径范围的土样的沙尘收集率影响程度不同。通过分析可得:在各风速下,对于各种粒径的土样,本体直径由50 mm改变为40 mm时沙尘收集率降低;入口截面宽度由10 mm变为8 mm时沙尘收集率提高约2%~3%;锥体段高度由100 mm改变为125 mm时沙尘收集率提高约3%~4%。对于不同粒径的土样,当分别以本体直径为50 mm、入口截面宽度为8 mm、锥体段高度为125 mm时,集沙仪的平均沙尘收集率提高2%~4%。