沙尘颗粒流体起动临界值的风洞实验研究

摘要

流体起动是一种基本的风沙起动形式，是土壤风蚀研究的重要内容。当风力逐步增大到某一临界值后，一些地表沙粒开始脱离静止状态，随着气流一起运动，这个临界风速值称为起动风速，可见流体起动是造成土壤风烛、土地荒漠化等的决定性因素，并且直接影响到人类生活。其中临界摩阻风速则是描述风沙起动的核心参数，对判定沙尘事件发生，预测沙尘释放量，评估风沙输运强度有着十分重要的作用，因此成为风沙研究中的关键物理量。 本文在风洞中进行沙尘颗粒流体起动临界值的相关实验研究，通过模拟沙尘颗粒的流体释放过程，并对流体释放过程中的主要物理量进行测量。本次实验通过监测湍流边界层内地表剪切力的变化并与平均释放率相对应，结合瞬态Shield数随时间变化的分析，最终提出本文所用的流体起动临界值的预测模型。同时分别采用传统阈值法、改进后的阈值法与改进后的反推法对沙尘颗粒流体起动的临界值进行系统的测试，得到不同判定准则下的临界摩阻风速，通过将改进后的判定方法与传统阈值法下所得到的实验结果进行对比分析，我们发现改进后的判定方法所得到的临界摩阻风速更为准确，同时更符合流体起动的物理意义，相反对于传统阈值法，这种判定准则更多依赖于经验性的判断，缺少物理机理的支撑。本文得到一系列单一粒径颗粒在改进后的阈值法与改进后的反推法下的临界摩阻风速，并与前人的实验结果进行对比分析，发现u*t与粒径之间呈现V字型的关系，最终我们得到临界粒径为40μm ，并且u*t远远大于前人的实验结果，因此我们认为传统判定准则并不能准确预测流体起动临界值，同时前人低估了颗粒的临界摩阻风速。对于粉尘颗粒，本文通过统计浓度大于0.001g/m3的释放频次并对释放频次进行分析，最终将 0.87 作为判定颗粒流体起动的临界频率，以便用于对粉尘颗粒临界起动风速的预测。

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