沙尘颗粒流体起动临界值的风洞实验研究
发布时间：2020-10-19 11:59
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40?m,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 m~3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。
【学位单位】：兰州大学
【学位级别】：硕士
【学位年份】：2018
【中图分类】：P425.55
【部分图文】：
兰州大学硕士学位论文 沙尘颗粒流体起动临界值的风洞实验研究1.2 地表颗粒临界起动风速的研究1.2.1 风沙运动的三种形式流体起动是风沙运动中的重要环节，当风速大于流体起动临界值时，地表颗粒开始运动，形成风沙流（吴正,2003）。在风沙运动的过程中，不同粒径的颗粒有着不同的运动形式，Bagnold（1941）根据风洞实验将其分为三类，分别为蠕移运动、跃移运动以及悬移运动（图 1-1）。
图 1-2 不同粒径颗粒的运动形式（吴正, 2003）Bagnold（1941）通过一系列实验观测发现，跃移颗粒在风沙运动中占总的输运量的 75%，其中蠕移颗粒占总的输运量的 25%左右，吴正和凌玉泉（1965）通过野外观测也得到相同结论，Sharp（1964）通过野外观测发现在风沙运动中，随着粗沙比例的逐渐增大，蠕移运动越发明显。但目前对蠕移运动的研究较少，原因在于观测手段的限制，对于肉眼观测的实验手段，准确性受到实验者主观因素的严重影响，对于 PIV 等光学仪器的实验手段，在进行实验时，床面会变的非常亮，无法识别近床面颗粒的运动状况，因此会造成一定的误差，对于采用光学手段的实验方法，后处理的难度较高，对于收集蠕移颗粒的实验手段，准确性直接受到实验仪器精度的影响。跃移运动之所以受到科研工作者地广泛关注，原因在于，跃移运动被认为是风沙运动中的主要运动形式，也是造成风沙灾害的主要因素。Bagnold（1941）和 Chepil（1945）等人认为，跃移轰击是造成土壤风蚀现象的主要因素，同时跃移运动跟悬移运动与蠕移运动有着紧密联系。因此，大量的科研工作者从事相关实验研究与数值模拟。Anderson 和 Haff（1988）以及 Shao
本文实验在兰州大学多功能环境风洞中进行，具体实验布置如图 2-1 所示。在风洞入风口处安置尖劈与粗糙元来模拟大气湍流边界层并保证下风向实验区域 20cm 以内风速满足对数规律，在实验段铺设足够长的砂纸来保证湍流边界层能够充分发展，并模拟粗糙地表，本次实验之所以采用砂纸模拟粗糙地表，原因如下：（1）砂纸表面粗糙度比较均一，可以代替单一粒径床面，减少沙床对实验结果的影响，提高实验精度；（2）使用粘沙板，难免会出现颗粒脱落，影响实验结果的准确性，而砂纸可以避免出现这种现象；（3）砂纸可以重复使用，拆卸方便；（4）铺设整张砂纸，可以直接盖过板与板之间的接缝，避免接缝对实验结果的影响。在风洞实验段下风向轴线位置，开有槽，将带有实验材料的托盘放入槽中，在托盘上风向处布置有 4 个 Irwin 探头，在托盘下风向 1m 处，放有粉尘收集器，通过 PVC 管与另一端离心风机相连，目的在于实时更新管内粉尘浓度，粉尘浓度仪放置在 PVC 管轴线位置，测量颗粒释放量，并且通过称重的方法测量损失量，同时采用皮托管实时监测风速变化，压力扫描阀及 Irwin 探头测量地表剪切力。
【参考文献】
本文编号：2847168
【学位单位】：兰州大学
【学位级别】：硕士
【学位年份】：2018
【中图分类】：P425.55
【部分图文】：
兰州大学硕士学位论文 沙尘颗粒流体起动临界值的风洞实验研究1.2 地表颗粒临界起动风速的研究1.2.1 风沙运动的三种形式流体起动是风沙运动中的重要环节，当风速大于流体起动临界值时，地表颗粒开始运动，形成风沙流（吴正,2003）。在风沙运动的过程中，不同粒径的颗粒有着不同的运动形式，Bagnold（1941）根据风洞实验将其分为三类，分别为蠕移运动、跃移运动以及悬移运动（图 1-1）。
图 1-2 不同粒径颗粒的运动形式（吴正, 2003）Bagnold（1941）通过一系列实验观测发现，跃移颗粒在风沙运动中占总的输运量的 75%，其中蠕移颗粒占总的输运量的 25%左右，吴正和凌玉泉（1965）通过野外观测也得到相同结论，Sharp（1964）通过野外观测发现在风沙运动中，随着粗沙比例的逐渐增大，蠕移运动越发明显。但目前对蠕移运动的研究较少，原因在于观测手段的限制，对于肉眼观测的实验手段，准确性受到实验者主观因素的严重影响，对于 PIV 等光学仪器的实验手段，在进行实验时，床面会变的非常亮，无法识别近床面颗粒的运动状况，因此会造成一定的误差，对于采用光学手段的实验方法，后处理的难度较高，对于收集蠕移颗粒的实验手段，准确性直接受到实验仪器精度的影响。跃移运动之所以受到科研工作者地广泛关注，原因在于，跃移运动被认为是风沙运动中的主要运动形式，也是造成风沙灾害的主要因素。Bagnold（1941）和 Chepil（1945）等人认为，跃移轰击是造成土壤风蚀现象的主要因素，同时跃移运动跟悬移运动与蠕移运动有着紧密联系。因此，大量的科研工作者从事相关实验研究与数值模拟。Anderson 和 Haff（1988）以及 Shao
本文实验在兰州大学多功能环境风洞中进行，具体实验布置如图 2-1 所示。在风洞入风口处安置尖劈与粗糙元来模拟大气湍流边界层并保证下风向实验区域 20cm 以内风速满足对数规律，在实验段铺设足够长的砂纸来保证湍流边界层能够充分发展，并模拟粗糙地表，本次实验之所以采用砂纸模拟粗糙地表，原因如下：（1）砂纸表面粗糙度比较均一，可以代替单一粒径床面，减少沙床对实验结果的影响，提高实验精度；（2）使用粘沙板，难免会出现颗粒脱落，影响实验结果的准确性，而砂纸可以避免出现这种现象；（3）砂纸可以重复使用，拆卸方便；（4）铺设整张砂纸，可以直接盖过板与板之间的接缝，避免接缝对实验结果的影响。在风洞实验段下风向轴线位置，开有槽，将带有实验材料的托盘放入槽中，在托盘上风向处布置有 4 个 Irwin 探头，在托盘下风向 1m 处，放有粉尘收集器，通过 PVC 管与另一端离心风机相连，目的在于实时更新管内粉尘浓度，粉尘浓度仪放置在 PVC 管轴线位置，测量颗粒释放量，并且通过称重的方法测量损失量，同时采用皮托管实时监测风速变化，压力扫描阀及 Irwin 探头测量地表剪切力。
【参考文献】
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本文编号：2847168
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