移动式风蚀风洞研制与应用

摘要

近十几年来,中国沙尘暴日益猖獗,对国民经济建设和人民生活造成严重危害.专家学者研究沙尘暴发生的原因认为,中国沙漠化土地面积日益扩大是沙尘暴发生的重要因素,而土地沙漠化的首要环节是土壤风蚀.世界各国治理沙尘暴的试验表明,农田推行保护性耕作可以有效地控制地表土壤沙尘的扬起,防治土壤风蚀,抑制土地沙漠化的扩展趋势,最终实现治理沙尘暴的目的.中国农业大学在河北丰宁坝上建立农田实验区,进行自然风蚀观察,表明与传统耕作(秋翻地)相比,保护性耕作可以减少土壤风蚀量77﹪,进一步研究保护性耕作的防风蚀效应和机理,探索防治土壤风蚀的措施,需要对农田风蚀进行系统而全面的研究.但是,自然风蚀的观测受到时间、风力、地表等多种因素局限,难以进行系统的、深入的研究,特别是在短时期内完成土壤风蚀规律性的研究.因此,设计和制作移动式风蚀风洞,用风洞作为有力的工具,开展保护性耕作减少土壤风蚀,防治沙尘暴的研究就具有重要的现实意义和长远意义.为此该文进行了下列工作:1.研制了中国第一座使用拖拉机为动力的移动式风蚀风洞,风洞风速为2~28m/s,且连续可调,风洞总长11m,实验段长6m,为无底矩形截面,1.0m高、0.8m宽.通过试验验证,风洞实验段具有稳定的气流场,且风速廓形满足对数规律,符合自然大气近地面层的风速特征,说明风洞满足风蚀试验要求.风洞设计有以下优点:(1)风洞设计为分体结构,不但风洞各段能够拆开,而且实验段可拆开为9块钢板,被拆开后的风洞可以全部装在一辆北京1041汽车上实现转移和运输.(2)使用拖拉机为动力,机动灵活,实验时,使用一根传动轴连接拖拉机和风洞实现动力传递,实验后脱开连接不影响拖拉机其它方面的使用,同时,拖拉机配备简易的吊装架后利用液压悬挂可以吊装风洞,从而不必为风洞配备使用吊装设备.2.分析目前使用集沙仪存在的问题是集沙效率低,其主要原因是不满足等动力性,为此进行了以下两方面研究:(1)研究了集沙仪排气口大小对等动力性的影响,结果表明影响显著.(2)研究了集沙仪的排气口位置和进沙口的高宽比对其等动力性的影响,结果表明排气口布置在顶面和降低进沙口的高宽比使集沙仪在相等排气口大小的等动力性能够更接近满足.上述排气口位置和进沙口高宽比对等动力性的影响为首次研究.3.按照等动力性原则设计了配套该文风洞使用的风洞集沙仪—狭缝采样器,进行了性能标定,结果表明狭缝采样器具有非选择性,集沙效率为91.3﹪.这种结构形式的新型狭缝采样器设计具有创新性.4.使用该文风洞和风洞集沙仪研究了北京市保护性耕作地和翻耕寺的风蚀情况,研究得出翻耕地的风蚀量是保护性耕作地的几倍至几十倍,说明保护性耕作防治土壤风蚀效果显著.5.使用该文风洞和风洞集沙仪,针对河北丰宁坝上鱼儿山镇农田进行了麦茬高度和起垄方向对风蚀的影响研究,研究得出为实现大幅度减少土壤风蚀的目标,小麦留茬高度应在25cm以上,起垄方向应与自然主风向成90°.上述垄向对风蚀的影响为首次研究.

目录

文摘

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第一章绪论

1.1沙尘暴和土地沙漠化

1.2国内外土壤风蚀研究状况

1.2.1国外土壤风蚀研究状况

1.2.2国内土壤风蚀研究状况

1.3研究土壤风蚀的方法

1.4我国建立移动式风蚀风洞的必要性

1.5解决的问题

1.5.1设计移动式风蚀风洞

1.5.2设计风洞集沙仪

1.5.3使用移动式风蚀风洞进行农田风蚀试验研究

第二章移动式风蚀风洞设计

2.1任务与设计要求

2.1.1任务提出

2.1.2移动式风蚀风洞的设计要求

2.2方案设计

2.2.1低速风洞分类

2.2.2典型低速风洞组成

2.2.3沙风洞的基本组成

2.2.4现有风洞设计方案分析

2.2.5本文移动式风蚀风洞方案设计

2.3性能设计

2.3.1风机和动力装置设计

2.3.2变速箱设计

2.3.3洞体设计

2.4结构设计

2.4.1材料选择

2.4.2分段式洞体设计

2.4.3粗糙元设计

2.5性能测量

2.5.1无残茬覆盖地表上的风洞流场测量

2.5.2有残茬覆盖地表上的风洞流场测量

2.5.3分析近地面层的风速特征

2.5.4评价风洞性能

2.6本章小结

第三章风洞集沙仪设计

3.1集沙仪设计原则

3.2现有风洞集沙仪分析

3.2.1垂直点阵式集沙仪

3.2.2带有通风屏的狭缝采样器

3.2.3不带通风屏的狭缝采样器

3.3现有集沙仪试验研究

3.3.1垂直点阵式集沙仪试验研究

3.3.2 BSNE集沙仪研究

3.3.3 BSNE集沙仪1与点阵式集沙仪1的比较

3.3.4小结

3.4狭缝采样器设计与试验

3.4.1等动力性试验

3.4.2集沙效率和非选择性试验

3.4.3狭缝采样器应用试验

3.5本章小结

第四章北京市保护性耕作防治土壤风蚀的效果评价

4.1试验设计

4.2试验设备与方法

4.3试验结果与分析

4.4本章结论

第五章作物残茬高度对农田土壤风蚀的影响研究

5.1引言

5.2试验设计

5.3试验结果与分析

5.4讨论

5.5本章小结

第六章起垄方向对农田土壤风蚀的影响研究

6.1引言

6.2试验区选择与试验设计

6.3试验结果与分析

6.4讨论

6.5本章小结

第七章结论与建议

7.1研究结论

7.2建议

参考文献

致谢

作者简历