沙粒起动风速的研究

摘要

在风沙二相流的研究中，风沙的产生机制，即在风场的作用下沙粒的起动机理是其中基础的和重要的研究课题。地表沙粒在风场作用下脱离地表开始运动的过程称为沙粒的起动，它标志着地表风蚀的开始，风蚀是造成干旱半干旱沙漠地区土地退化的主要驱动力之一，起动风速又是影响风蚀的关键因素，因此，沙粒的起动风速一直受到研究者的高度关注，它对于风沙运动的研究具有最基本的意义。　　 本学位论文的主要研究内容如下：　　 1.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起动风速的实验测量结果进行了比较，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：坡度一定时，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，电场力对沙粒起动风速具有显著影响，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，其对沙粒起动风速的影响是不可以忽略的。　　 2.考虑到床面非均匀沙粒之间的相互荫暴影响，引入表征床面沙粒位置的沙粒切点公切线与水平沙床表面的交角为参数，建立了公切角与沙粒暴露度关系式。依据床面表层沙粒由静止到运动的临界条件，确定了以公切角的变化范围表征的沙粒起动的判别条件，把非均匀沙粒的荫暴作用与其在床面位置和起动沙粒粒径相联系，根据沙粒临界起动的静力学条件，建立了非均匀沙粒的起动风速公式。应用公式计算出的起动风速与实验结果吻合较好，相关系数为0.938，说明公式的结构是合理的。　　 3.基于已有的风沙流实验，采用集沙槽收集蠕移沙粒的方法来测量多种风速条件下的单宽蠕移输沙率，再外推该蠕移输沙率为零时得到沙粒的起动风速，并将该风速定义为风洞轴线处沙粒的综合起动风速。最后，用Bagnold临界起动摩阻风速公式的计算结果与实验所测结果进行比较，结果表明：实验是合理的。

目录

文摘

英文文摘

声明

第一章引言

1.1研究背景

1.2研究现状

1.3本文的主要工作

第二章沙粒起动风速的影响因素研究

2.1临界起动风速模型

2.2数值计算及分析

2.3本章小结

第三章非均匀沙粒的起动风速研究

3.1非均匀沙粒起动风速

3.2数据处理与讨论

3.3本章小结

第四章沙粒起动风速的实验研究

4.1实验原理与装置

4.2集沙槽厚度的确定

4.3起动风速研究

4.4本章小结

第五章结论与展望

参考文献

致谢

研究成果