输沙量对海岸沙丘表面风沙流中不同粒径沙粒垂向分布的影响

 在我国海岸沙丘的典型分布区河北昌黎黄金海 岸,对不同输沙量下海岸沙丘表面风沙流中不同粒径组沙粒垂向分布的变化进行了野外观测。结果表明,在风速相近、物质组成一 致和下垫面性质相同情况下,随着风沙流总输沙量的增加,在非均匀沙床面上不同粒径组沙粒的垂向分布呈现出了不同的变化特点 。其中,随总输沙量增加粗沙输沙量总量并无增加,其输沙量下层减少、中层增加、上层减少,垂向分布转变为典型负幂函数模式 ;中沙在不同高度的绝对输沙量均有增加,相对输沙量下层（0~4 cm）减少、上层（4~60 cm）增加或基本持平,其垂向分布基本 符合指数递减规律,尤其是在0~60 cm高度内的分布随总输沙量的增加由负幂函数转变为指数函数;细沙输沙量总量和不同高度的 输沙量均有不同程度的增加,相对输沙量下层（0~6 cm）减少、上层（6~60 cm）基本持平或增加,垂向分布符合典型的指数函数 布模式。究其原因,主要应与不同风速气流的携沙极限以及不同粒径组沙粒的运动方式密切相关。     

福建东部海岸风沙流结构特征及沙害防治对策

针对福建长乐东部海岸风沙活动地区,观测海滩、半固定沙丘、植被固定沙丘不同地貌单元的风沙流输沙量,捕集不同高度输沙样品,据此分析研究区不同地貌的风沙流的结构特征值λ.结果表明:在海滩后缘,风沙流的中细粒沙质量分数从底层向上呈减小趋势,而粉沙沙粒的质量分数从底层向上呈增大的趋势.在活化沙丘顶部,风沙流中的中细粒沙质量分数随高度的变化无明显规律,而粉沙沙粒的质量分数从底层向上呈缓慢增大趋势.在固定沙丘顶部,中沙质量分数随高度的变化平缓,而细沙质量分数从底层向上呈缓慢减小趋势.这种风沙流结构特征,适合采用竹栅栏、马鞍腾、单叶蔓荆、滨刺麦和木麻黄树等多级防沙组合体系.     

风-沙-电多场耦合模型及其对风沙流结构的影响

基于点电荷电场的基本理论,建立了风场-沙粒运动-风沙电场(风-沙-电)相互作用的多场耦合理论模型,给出了风沙电场沿高度的分布规律,即:风沙电场在近地层一般为正电场,电场强度随高度的增加而迅速下降;在10～20 cm附近风沙电场由正电场变为负电场;随后,风沙电场强度的绝对值随高度的增加由小变大,在达到某一极值后,电场强度的绝对值随高度减小,最后趋于晴天电场.此外,还研究了风沙电的多场耦合作用及风沙电场强度对风沙流结构的影响.     

风沙流中基于宏观颗粒模型的沙粒浓度分布

风沙侵蚀是造成土地沙化和干旱区地貌的主要原因,其中沙粒的浓度分布是研究输沙量、颗粒碰撞、风沙流结构等特征的主要影响因素,也是了解颗粒碰撞过程和风沙两相流耦合过程的重要研究内容。为了考虑沙粒与气流的力平衡、阻力和扭矩的变化、碰撞及摩擦等影响,运用了一种新的宏观颗粒模型(macroscopic particle model, MPM)研究沙粒在气流中的运动。与前人研究结果进行比较后发现,宏观颗粒模型在不需要任何附加模型的前提下,能实现风沙两相耦合的准直接数值模拟,根据沙粒运动速度云图所示的风沙流运动状态的不同,沙粒浓度的垂向分布会出现结论不一致的现象。颗粒流系统的内在非线性是造成风沙流运动状态不均匀、不一致的主要因素。数值模拟结果表明,利用MPM模型中的离散颗粒追踪、颗粒速度和位置等信息能够研究多相流条件下的风沙运动机理。     

布袋沙障对流动沙丘地表风沙和土壤湿度的影响

为了解布袋沙障对风沙流和土壤湿度的影响,通过测定风速和采集地表0~30 cm输沙,同时对地下0~40 cm土壤含水率进行测试,分别研究1 m×1 m、2 m×2 m、3 m×3 m规格布袋沙障防风效能、粗糙度、输沙量和土壤湿度差异。结果表明,布袋沙障能够有效提高0~30 cm高度范围的防风效能,增加地表粗糙度,显著降低0~30 cm地表输沙量和改变风沙流结构。3种布袋沙障的防风效能顺序为1 m×1 m2 m×2 m3 m×3 m,1 m×1 m与其他两种规格布袋沙障的防风效能差异显著(P0.05),2 m×2 m和3 m×3 m规格布袋沙障的防风效能间无显著差异;粗糙度顺序为1 m×1 m2 m×2 m3 m×3 m对照,1 m×1 m、2 m×2 m和3 m×3 m规格沙障粗糙度分别比对照高91.31%、78.88%和76.26%,差异极显著(p0.001);0~30 cm输沙量顺序为对照3 m×3 m2 m×2 m1 m×1 m,对照的0~30 cm输沙量达到了71.43 g(/min·cm2),是布袋沙障的32.98倍,3种规格布袋沙障与对照沙丘2~10 cm和0~1 cm两层沙量的比值λ均大于1,说明在监测期内地表均处于风蚀状态。土壤含水率顺序为对照3 m×3 m2 m×2 m1 m×1 m,在0~20 cm土层此变化趋势明显,对照的土壤含水率分别比3 m×3 m、2 m×2 m、1 m×1 m规格沙障样地的土壤含水率高55.15%、58.63%和67.45%。     

新型主动式竖直集沙仪研制

提出了一种新型主动式竖直集沙仪，该集沙仪的最大优点是可以通过调节总抽气量使不同高度取样管同时趋于等动力取样状态．对新型集沙仪和传统被动集沙仪进行了风洞对比实验，并引入一个新的量来反映集沙仪对气流的阻碍程度．实验结果显示，新型集沙仪对气流的阻碍明显减小，在不同风速下也具有很好的适应性．输沙率对比结果表明，新型集沙仪比传统被动集沙仪在近床面区域和高风速下具有更高的收集效率，为风沙流研究提供了一种新的测量工具．     

风沙运动的力学机理研究

风沙运动机理研究是认识土壤风蚀、沙尘天气(甚至沙尘暴)以及风沙灾害本质,进而实现有效防治的基础。其中所涉及的诸如多尺度、多场耦合、随机性、非线性、尺度效应和复杂系统等科学问题也是当今科学前沿所关注的共性和热点课题。本文在简要回顾与风沙运动力学机理研究相关的已有工作的基础上,重点介绍了兰州大学风沙环境力学研究组针对风沙流中的沙粒带电量和风沙电场的基本规律及其对风沙流和无线电通讯的影响、风沙流发展过程的理论预测、固沙结构有效尺寸的分析、风成地貌主要特征的计算机模拟等方面所开展的研究工作。     

高精度集沙仪在土壤风蚀研究中的应用

设计了一种全自动高精度集沙仪,可以根据试验要求实时采集不同方位的沙样,获取沙样质量数据,实现全自动高频次连续集沙.利用气象数据和风蚀传感器采集的数据,在野外风沙观测场对全自动高精度集沙仪进行测试分析.结果表明,不同强度沙尘天气下,集沙仪翻斗的翻转频率随着天气强度的增大而增加,呈幂函数关系y=2.115x~(0.9841),R~2=0.92,1 min翻转次数由0.3次增加到1.3次.随着天气强度的加强,单次翻转集沙量呈逐渐减小的趋势.发生沙尘暴时,单次翻转集沙量为3.72 g;强度为Ⅰ级扬沙天气时,单次翻转集沙量为4.03 g;强度为Ⅱ级扬沙天气时,单次翻转集沙量为5.00 g.全自动高精度集沙仪野外应用效果良好,是一种适合高精度自动监测野外风沙活动的新型测量工具.     

布袋沙障对流动沙丘地表风沙和土壤湿度的影响

 为了解布袋沙障对风沙流和土壤湿度的影响,通过测定风速和采集地表0~30 cm 输沙,同时对地下0~40 cm 土壤含水率进行测试,分别研究1 m×1 m、2 m×2 m、3 m×3 m 规格布袋沙障防风效能、粗糙度、输沙量和土壤湿度差异。结果表明,布袋沙障能够有效提高0~30 cm 高度范围的防风效能,增加地表粗糙度,显著降低0~30 cm 地表输沙量和改变风沙流结构。3 种布袋沙障的防风效能顺序为1 m×1 m>2 m×2 m>3 m×3 m,1 m×1 m 与其他两种规格布袋沙障的防风效能差异显著（P<0.05）,2 m×2 m 和3 m×3 m 规格布袋沙障的防风效能间无显著差异;粗糙度顺序为1 m×1 m>2 m×2 m>3 m×3 m>对照,1 m×1 m、2 m×2 m 和3 m×3 m 规格沙障粗糙度分别比对照高91.31%、78.88%和76.26%,差异极显著（p<0.001）;0~30 cm 输沙量顺序为对照>3 m×3 m>2 m×2 m>1 m×1 m,对照的0~30 cm 输沙量达到了71.43 g/（min·cm²）,是布袋沙障的32.98 倍,3 种规格布袋沙障与对照沙丘2~10 cm 和0~1 cm 两层沙量的比值λ均大于1,说明在监测期内地表均处于风蚀状态。土壤含水率顺序为对照>3 m×3 m>2 m×2 m>1 m×1 m,在0~20 cm 土层此变化趋势明显,对照的土壤含水率分别比3 m×3 m、2 m×2 m、1 m×1 m 规格沙障样地的土壤含水率高55.15%、58.63%和67.45%。     

风沙流中沙粒冲击速度的分布函数

根据风沙流通量和速度随高度的变化推导出了风沙流中沙粒冲击速度的分布函数,与以往建立的风沙流中起跃沙粒垂直初速度的分布函数稍有不同。用最新引进的粒子动态分析仪对53000多个沙粒冲击速度的风洞验证结果表明,所建立的冲击速度的分布函数与风洞实验结果吻合得相当好,80％以上的拟合相关系数大于0.95。     

欧拉颗粒流模型下的近床面风沙跃移速度分布特征

风沙运动中沙粒速度是风沙物理学研究的重要内容,为反映风沙流运动中沙粒相浓度变化及沙粒的速度分布,从多相流的角度出发,运用二维欧拉颗粒两相流模型对风沙的流动过程进行模拟.通过对比实验中沙粒的体积浓度随高度的变化,验证了模型的准确性,并在此基础上对沙相的运动信息进行统计分析,得到近床面风沙流的沙相速度分布.统计结果表明:在风沙跃移过程中,沙粒体积分数随高度的变化呈指数衰减,并在近地面附近出现浓度饱和层,饱和层沙粒体积分数的数量级为10-7,且在饱和层上方浓度衰减加快.通过对体积分数大于等于10-7的沙粒速度信息进行统计,得到不同时刻沙相速度分布,并给出相应的速度分布概率密度函数.     

风沙物理学进展及其在沙漠化防治中的应用

 沙漠化因严重阻碍和威胁人类生存与社会可持续发展而受到世界各国高度重视。沙尘颗粒物受气流作用在地表和空中的运动是沙漠化过程发生、发展的主要表现形式,也是沙漠科学和治沙工程的核心研究内容之一,只有掌握了风、地表及沙尘颗粒物之间的互馈机制,才能科学分析土地沙漠化过程并建立有效的风沙灾害防治工程。本文回顾了风沙物理学研究的发展历程,综述了近30年以来风沙环境力学在风场结构、沙尘颗粒的起动机制、沙尘颗粒的碰撞机制、近地表风沙流的理论模型与实验观测、风成沙波纹与沙丘地貌研究以及风沙环境力学研究在沙漠化防治中的应用等方面取得的进展,并对未来研究方向提出了展望。     

The trajectory parameters analysis of saltating sand grains driven by wind

The study of trajectory parameters of saltating sand grains is of great importance to forming the kinematic theory of wind-sand current. By establishing the simplified theoretical pattern and probing into the relationship between lift-off angle (α) and landing angle (β), relationship between the ratio of saltation length ( L) to maximum height (H) and lift-off angle as well as the angular variation laws of any point on the trajectory, it has been demonstrated that the relations among these parameters are nonlinear. Meanwhile, it has also been proved that the theoretical analysis is basically reliable in accordance with the wind tunnel experiments using high-speed multiflash photography. Generally, the trajectory shapes of saltating sand grains are controlled precisely and the theoretical analysis is closely combined with the experimental results.     

基于煤巷掘进粉尘分布的干式除尘布局优化

随着煤巷机械化掘进程度的不断提高,煤巷中粉尘浓度也不断攀升,高浓度的粉尘一方面会影响井下工作人员的身心健康,另一方面也增加了粉尘爆炸的可能性。干式除尘器由于具有除尘效率高、零耗水、无污染的优点而被广泛应用在煤矿掘进中。本文采用数值模拟的方式,研究了干式除尘器作用下巷道内的风流结构,并研究了除尘风筒和局部通风机风筒相对位置对除尘效率的影响,以及除尘风筒到掘进头的距离对除尘效率的影响。研究结果表明：除尘风筒的布置应与局部通风机风筒尽量的远离,当除尘风筒距离掘进头4~5 m时,除尘效果会比较好。研究可以有效的指导干式除尘器在巷道掘进中的布置,为改善巷道内掘进环境做出贡献。     

新疆莫索湾垦区的风沙土性质及其治理的研究

垦区风沙土以风积物为主,土质粗松,土壤剖面构造中无典型发生层次,随土壤发育土体中粘粒含量、铁铝氧化物及养分含量均呈增加的趋势。治理上重在防风固沙,以肥改沙。     

The trend of sand flux and the meteorology elements changes in the near-surface layer of Tengger desert in the spring of 2006

Dust storm events, especially those associated with strong winds, are immediately dangerous, and have long-term harmful effects. During a dust storm event, dust in the near-surface atmospheric layer decreases visibility, and changes local meteorological parameters. In this paper, we analyzed levels of near-surface turbulence during and outside a dust storm event and found differences in the degree of turbulence, with wind speed increasing and amounts of windblown sand greatly increasing air turbulence during the dust storms compared with the corresponding values on a sunny day. In addition, the wind profile during the dust storm deviated from the normal profile and became more complex. In the near-surface atmospheric layer, sand and dust flux during the dust storm also differed from those on a sunny day.     

基于年代数据的青藏高原东北部全新世风沙活动研究

本文对青藏高原东北部全新世风成沉积剖面的年代数据应用概率密度方法结合年代数据分布情况重建了该区全新世风沙活动历史.结果表明:青藏高原东北部早全新世风沙活动强烈,但也存在不同尺度的空间差异,表现在共和盆地、柴达木盆地及青海湖盆地风成砂都广泛发育,但青海湖盆地同期还有古土壤发育,冬给措纳湖流域在这一时期也有少量的风成砂层出现;中全新世古土壤广泛发育,风沙活动较弱,整个东北部具有较好的一致性;晚全新世以来,柴达木盆地和冬给措纳湖流域风成砂发育较好,而共和盆地古土壤广泛发育,同时青海湖盆地风成砂和古土壤均有出现,说明风沙活动强度的区域差异较大,这可能是由于局部地区受到了人为活动强烈干扰的影响.风沙活动强度与区域有效湿度密切相关,区域有效湿度较高时,风沙活动较弱;反之,风沙活动较强.另外,大面积湖泊的存在使得青海湖盆地和冬给措纳湖流域全新世风沙活动的特点与柴达木盆地和共和盆地不尽相同,湖泊水位与湖泊增湿降温效应的相互关系以及物源供给特点可能是造成这一现象的原因.年代数据的概率密度方法相对于频率统计直方图具有一定的优势,充分利用了单个年代数据符合正态分布的特点,能够反映年代数据的范围和精度.     

有限空间风沙流动数值模拟及边界条件问题

采用Euler方法的双流体模型和颗粒动理学方法对二维风沙气固两相流动进行了数值模拟,研究不同边界条件下的气固两相速度与浓度分布以及进口条件下的风沙流动。结果表明,对边界为固体壁面的流动,沙粒边界条件对其浓度分布有严重的影响,必须计及能量平衡和沙粒速度滑移效应,体现为沙面上的沙粒起动和碰撞特性;进口效应的存在使得在较短的距离内不能获得合理的流动结构,要求根据实验给出准确的进口条件,或者计算域有足够的长度,使流动结构不受进口效应的影响。