沙粒的跃移与悬移

通过考虑沙粒在大气边界层中的湍流随机运动,分析了影响沙粒运动轨迹的各种因素．由于存在湍流脉动速度,因此在相同粒径、起跳初速度和摩阻风速情况下,沙粒运动轨迹会出现较大差异．沙粒的垂直波动速度可以作为一个反映其运动性质的参数,不仅与粒径、起跳初速度,而且与摩阻风速有关．利用其作为判断沙粒运动形式的判据,计算了给定沙粒粒径和摩阻风速条件下沙粒进入跃移和悬移的临界起跳初速度及相应运动形式的组分,并与考虑风沙耦合作用与不考虑风沙耦合作用的轨迹统计结果进行了比较．     

土壤风蚀中粉尘释放规律研究

针对目前土壤风蚀中粉尘释放模型研究中缺乏不同粒径颗粒流量与地表颗粒粒径组成间联系描述的现状，对由黏土和沙粒组成的类土壤地表进行风洞实验，实验中依据黏土质量份额的不同准备了6种类土壤混合颗粒分别进行实验研究．实验结果表明由于黏土颗粒和沙粒分别做悬移和跃移运动，其质量流量廓线形式也完全不同．风蚀过程中做跃移运动的不同粒径沙粒的质量流量廓线在对数．线性坐标中都呈直线，且其斜率近似相等．风蚀过程中沙粒输运率随地表黏土颗粒质量份额的变化而改变，粉尘输运率与沙粒输运率的比与它们在地表的质量比成正比．每一粒径组分的输运率占沙粒总输运率的份额与地表中该粒径组分占总沙粒的质量份额成正比，比例系数只与该粒径组分的粒径有关．通过本文的实验结果可以将粉尘以及不同粒径沙粒组分的输运率与它们在土壤地表中的质量组成联系起来．     

风沙电多场耦合中沙粒跃移运动的受力分析

基于风沙电多场耦合跃移运动的理论模型,通过对稳定风沙运动的数值模拟,将沙粒在运动过程中所受各种作用力,如空气阻力、Magnus力、Saffman力、静电力与重力进行了对比研究,讨论了沙粒所受各种作用力随摩阻风速、沙粒粒径、沙粒初始旋转角速度和初始起跳速度的变化规律．     

风沙流中沙粒相输移的测量

在风洞内对风沙流中运动沙粒进行了粒子图像速度场（PIV）测量，通过调整进光量和降噪处理得到了满意的PIV图像与沙粒相的速度场．结果表明颗粒在空中的运动受到球形度、风速的影响：在1m／s来流风速下，在固定点处50～63μm沉降沙粒的垂向速度随时间的变化出现双峰性，其时均值抹平了瞬时速度的波动；随着风速的增大，沙粒受气流脉动作用的影响越发显著，当来流风速增大到3．5m／s时，观察域内的63～80μm沙粒处于悬移状态；当来流风速为5m／s时，整个测量流场内沙粒的垂向速度的平均值为正值，方向向上．采用图像处理的数字掩码技术，处理图像得到了沙粒在流场中的面密度以及单宽输沙率．分析指出实验的误差主要是由沙粒的粒径尺寸和沙粒图像形心位置的不确定性所造成，且提出减小误差的措施．     

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.     

风沙跃移运动中的Magnus效应

给出了计及Magnus效应的风一沙耦合跃移运动模型,计算了当风沙流达到自平衡状态后Magnus效应对贴地风速廓线、沙粒跃移轨迹的影响,指出在Msagnus效应影响下,沙粒跃移运动对风速廓线的影响类似于粗糙床面对沙粒跃移的影响,其粗糙度约为沙粒跃移高度的0．8倍。     

沙粒跃移击溅函数的高速数字摄像研究

采用高速CMOS数字相机拍摄的方法记录沙粒与床面的碰撞过程,通过分段图像叠加的算法对获得的实验图像进行处理,提取出沙粒运动时序位置,并计算其入射以及反射的速度和角度.通过统计分析得出跃移沙粒与沙床碰撞过程中的控制参数--碰撞平面角、速度和能量恢复系数的分布,都近似满足正态分布.实验结果表明,沙粒与沙床碰撞过程中损失的动能超过总能量的一半,且由于碰撞平面角大于0°的比例达到70%,即使沙粒在碰撞过程中能量有所损失,沙粒与沙床碰撞后垂直分速度增加的现象仍比较普遍,使得沙粒在与气流相互作用的过程中获取更多的能量,从而为沙粒的持续跃移提供了保证.     

含沙水中沙粒与汽蚀相互影响的高速摄影观测

本文介绍了用高速摄影方法对小水洞中沙粒运动与汽蚀相互影响进行实验研究所获得的初步结果。试验结果表明:水中含沙以后,汽蚀形态与清水时相比有所差异;沙粒有破坏汽蚀空泡的作用;汽蚀空泡的溃灭对沙粒运动产生一定影响,但并不能极大地增大沙粒的速度。     

跃移沙粒起跳垂直速度分布函数的统计分析

利用测量近地层的跃移沙粒运动所得到的实验数据对沙粒起跳垂直速度分布函数进行了统计分析，从理论上对已有沙粒起跳垂直速度分布函数形式进行了非参数检验，提出了跃移沙粒起跳垂直速度分布函数服从Weibull分布的结论。最后给出了不同分布对实验数据的拟合结果，进一步表明了统计结论的正确性。     

鸣沙沙粒振动频率自锁机制

研究在30°安息角的沙坡面上, 单一粒径球形沙粒的运动状态。假设沙粒无滑动且碰撞时角动量守恒, 则扰动沙粒经过不超过5 次的滚动、抛射、再滚动后,即进入与初条件无关的周期性运动, 其频率为0.39 g/D , 与鸣沙流的梯度相近, 临界抛射角稳定在 51.2°, 抛射过程沙粒自旋角速度为 16 r/min。自保持的周期性决定了沙粒的整体协同运动, 是鸣沙发声及频率自锁的根本原因。     

松弛迭代粒子追踪测速法独立性改进

为了提高提取瞬态流场结构的便捷性,对松弛迭代粒子追踪测速法(RM-PTV)的独立性进行了改进.引入Delaunay三角剖分(DT)法代替固定阈值法来选取与目标粒子保持相似运动的参选粒子并对典型自定义流场进行了匹配计算,同时引入邻域窗口分析法对改进前后的流场在匹配结果中突兀矢量分布的数量和大小进行了比较.计算结果表明:DT方法可以有效选取目标的参选粒子,改进方法可以较好地保持抗噪音和识别粒子无匹配的能力,省去固定阈值的选取,减小对具体流场的依赖性;当噪音和粒子无匹配存在时,改进前后的流场在匹配结果中突兀矢量分布的数量和大小基本相同.最后,通过实验证明了改进方法在大气边界层内提取沙粒跃移运动轨迹上是有效的.     

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。     

渗流作用下的岸坡泥沙起动条件

考虑渗透力作用,分析坡面泥沙受力特点,推导出岸坡均匀沙的起动条件和临界切应力计算公式,并采用不同渗流比降和不同水流方向的算例,以及长江中下游典型岸坡的实例,对渗流作用作出了定量分析。结果表明,泥沙起动流速曲线存在明显的转折点,可以解释崩岸的突发性;向坡外的渗流将大幅降低岸坡泥沙起动条件;冲刷水流方向也影响泥沙起动流速,在接近零流速破坏坡角时影响显著。     

基于两相流理论的冰颗粒驰豫过程和升浮初析

液固两相流是液相介质与固相介质的混合物,是固相颗粒悬浮在液相介质中的混合物或混合介质。河流冰塞常导致洪水灾害,河冰运动应属于固液两相流的范畴,依据多相流理论对河冰运动颗粒的驰豫过程和极限浮速等进行了尝试分析,所得结果不仅可作为进一步研究冰塞理论和相关数值模拟的基础,也可供物理模型研究和工程实际参考。     

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。     

Transport of Yellow Sand in Stratified Flow over an Isolated Mountain Ridge

The transport of yellow sand over mountain regions in the presence of internal gravity waves has been investigated numerically. The motion of yellow sand particles has been simulated in a Lagrangian frame of reference by solving the time-dependent Reynolds averaged Navier-Stokes equations. An implicit time integration in a fitted body grid arrangement was used to simulate the stratified flow over an isolated ideally bell-shaped mountain. The transport and deposition of particles of various sizes, and of the altitudes where particles were released have been analyzed. Particular attention was given to transport patterns of different sized particles in various atmospheric conditions. The results show that the particle size and the re-lease altitude are both important factors in determining the trajectories of the particles. Small particles tend to be transported a long distance over the mountains, whereas heavier particles settle down around the re-lease source. Due to the existence of an internal gravity wave, the particle release altitude affects the trajec-tory of the particles. The analysis and results provide a very useful tool for the study of atmospheric flow and transport of pollutants over real topographies.     

Magnetic particles in the liver: a probe for intracellular movement

Previous studies have used magnetic particles to estimate the viscosity of cell cytoplasm in vitro 1-4. Here we describe how magnetic Fe2O3 particles can be used to estimate non-invasively the motion of organelles in hepatic macrophages in intact animals. We report that when these particles are injected intravenously (i.v.), most are phagocytosed by hepatic macrophages (Fig. 1)5. When an external magnetic field is applied to the rabbit, these particles become magnetized and aligned. After removal of the field, the particles collectively produce a remanent magnetic field which can be measured at the body surface. This field decreases with time due to particle rotation (relaxation) 6,7. As the particles are contained in phagosomes or secondary lysosomes, we conclude that motions of these organelles are responsible for the particle rotation and relaxation.     

开口管桩沉桩过程试验研究与颗粒流模拟

利用侧面透明的模型箱和铝管半模桩模拟了开口管桩在砂土中的沉桩过程.分别测量了不同桩径和不同相对密实度开口管桩完全闭塞时的土塞高度.结果表明桩径越大,相对密实度越小,则土塞高度越大.利用高分辨率数码摄像设备观察到了土塞形成的三个阶段,重点分析了土塞内几个特征砂颗粒的移动轨迹和压桩过程中孔隙率和接触数的变化,从细观尺度出发探讨开口管桩沉桩过程中砂土的变形机制和土塞形成机理.利用Geodip软件分析了桩土接触面处的砂粒长轴定向和平均配位数,分析表明,土塞形成过程中颗粒原先的结构被打破以及发生了剧烈旋转,颗粒重新进行分布.在模型试验基础上,通过二次开发PFC2D颗粒流程序对沉桩全过程进行离散元仿真模拟.数值模拟结果表明,PFC2D能够模拟开口管桩从开始刺入砂土到形成土塞并最终呈现闭口管桩性态的整个过程.     

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。