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以管状集沙仪为例,数值模拟了它在风沙流结构中的流动特征以及集沙效率。为了使模拟更加符合真实情况,对计算区域的网格进行加密,计算了集沙仪周围的风场,并分析了网格划分对计算结果的影响。通过分析计算结果,讨论了不同薄膜渗透率对集沙仪周围风场流动特征的影响,以及不同渗透率下不同粒径沙粒的轨迹以及集沙效率。在模拟集沙效率时发现集沙仪薄膜的渗透率是影响集沙效率的一个重要参数,通过分析结果,发现选择集沙仪薄膜的时候应选择渗透率,这样随着沙粒粒径的变化,集沙效率变化趋于稳定。有两个影响集沙效率的重要因素:粒径和集沙仪进口处的流线。当颗粒粒径相对较大的时候,惯性起主要作用,对于粒径大于200 μm的沙粒来说,集沙效率几乎都在90%;当颗粒粒径相对较小的时候,流线起主要作用。 相似文献
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沙粒轨迹形成过程是理解风沙两相流输运力学机制的关键问题。多假设追踪算法通过融合追踪目标的多个信息特征和建立后验概率控制的动态递归算法来实现对目标的准确追踪，其精度可能优于传统的基于位置信息的轨迹追踪算法。基于多假设追踪算法的需要，以沙粒灰度和表观粒径（沙粒在影像上显现的大小）为对象，通过分析沙粒在轨迹形成过程中灰度和表观粒径的辨识度及稳定性来揭示它们作为多假设轨迹算法的特征参数的可能性和可靠性。结果表明：沙粒灰阶25~255，具有多峰分布的特征，表明不同沙粒灰度具有很好的区分度；80%~85%的沙粒在入射、反弹过程及粒-床碰撞后，灰度差在1倍标准偏差之内，表明大多数沙粒的灰度具有相对的稳定性；沙粒的表观粒径分布于77~1 001 μm，表明表观粒径具有较好的区分度；97%~100%的沙粒在入射、反弹过程中、77%的沙粒在粒-床碰撞后，表观粒径差均是稳定的（77~154 μm）；仅有15%~23%的沙粒发生了显著的侧向运动或自旋，表明多数沙粒的灰度和表观粒径的稳定性不受侧向运动或自旋的影响；灰度和表观粒径可以作为多假设追踪算法的重要辨识参数。 相似文献
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风力作用下沙粒蠕移概率的转化特征 总被引：3，自引：1，他引：2
建立了沙粒从蠕移状态向静止、跳跃转化以及继续滚动的概率模型.根据滚动沙粒简化的运动方程,结合两个关键随机变量-沙床表面风速和床面位置参数,求出了静止概率、滚动概率、跳跃概率随时间变化的表达式.在此基础上通过对时间求极限得到稳定情况下沙粒处于三种运动状态的概率.利用沙粒蠕移概率除蠕移概率和跃移概率之和,得到沙粒相对蠕移概率,并以此反映蠕移输沙量占总输沙量的比例.计算结果表明,三种转移概率是时间、沙床表面风速和沙粒直径的函数.静止概率随时间增大而增大,但随粒径增大而减小;滚动概率随时间的变化根据粒径的不同表现出不同的特点.粒径较小,滚动概率随时间的增大先增大后减小,存在极大值;粒径较大时,滚动概率随时间的增大逐渐增大,不存在峰值.跳跃概率随时间的增大而增大.三种概率达到稳定状态所需要的时间随粒径的增大而减少.同粒径的沙粒在相同的时间内,三种转移概率会趋于定值.稳定概率和相对蠕移概率由沙床表面风速分布和粒径大小来确定,具有很大的取值范围;静止稳定概率和跳跃稳定概率随粒径的增大分别增大和减小;而滚动稳定概率随粒径的增大逐步先增大后减小.在一定风速条件下,相对蠕移概率随风速和方差的变化都不大,沙粒粒径是最主要的影响因素. 相似文献
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在策勒绿洲一沙漠过渡带选取流动沙地、半流动沙地两个典型下垫面,采集下垫面地表0~1 cm沙样,利用梯度集沙仪收集风风沙流中垂直高度层中1~20 cm的沙通量,利用mastersizer2000分析所收集沙样的粒度。结果表明研究区风沙流挟沙粒度的垂直分布特征为:沙粒平均粒径随高度增加而减小,风沙流中沙粒的平均粒径小于床面沙粒平均粒径。其中粉沙含量随着高度的增加,其相对含量呈现幂函数增加,极细沙和细沙含量随高度的增加呈幂函数规律递减。风沙流中平均粒径(φ)值在3.58~3.81;分选系数集中在0.46~0.55,分选性较好;偏度值变化范围为-0.006~0.1,峰度变化值在0.94~0.96。半流动沙地风沙流中平均粒径小于流动沙地,分选性较好。平均粒径(φ)与分选系数、峰度和偏度均呈正相关,分选系数与偏度、峰态间呈现正相关,峰态与偏态之间呈现正相关。研究区沙粒主要以细沙、极细沙和粉沙为主,分选性较好,沙粒粒径分布符合正态。流动沙地较半流动沙地风蚀程度大,地表沙粒粒径粗。策勒地区地表风沙来源主要为风成沙,沙粒运动方式以跃移质为主,悬移质次之。 相似文献
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采用有限体积法模拟了风速正弦变化下的一维非平稳跃移风沙流发展过程。考虑风沙流跃移系统的4个子过程,沙粒的流体起动、沙粒的运动、击溅过程和沙粒对风场的反作用。给出在风速正弦变化时,风速变化频率和振幅对于沙粒输运的影响以及输沙率、风速廓线、床面剪切应力以及起跳沙粒数的变化规律。结果表明,输沙率随着振幅增大而增大,随着周期增大而减小;在初始的overshoot现象之后,床面剪切应力变化很小,但起跳的沙粒数随风速呈现类正弦周期变化。 相似文献
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沙粒起动风速的影响因素研究 总被引：4，自引：3，他引：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实验研究结果进行了比较,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：坡角一定时,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。 相似文献
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基于粒子图像测速仪(Particle Image Velocimetry, 简称PIV)测速度原理以及测量颗粒粒径原理,分析了经过一个激光脉冲时间前后CCD拍摄到的两帧沙粒二维图像,计算了沙粒因旋转而导致的沙粒质心位移与成像中点位移的差别以及不同时刻成像面的大小,导出PIV测量不规则旋转沙粒速度和粒径的测量误差公式。结果表明,PIV测速误差与沙粒速度有关,速度越大测速误差越小,最大测速误差不超过10％,可通过增大激光脉冲时间间隔以减小PIV的测速误差;由于沙粒旋转,使得不同时刻PIV测量到的同一个不规则沙粒的粒径也可能不同,其差别由沙粒形状的不规则程度决定,并指出PIV测量风沙流中不规则沙粒的粒径的可行性与可靠性需要进一步论证。 相似文献
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风沙流中沙粒旋转通常具有明显的三维旋转特性。本文通过数值建模考察了三维空间中不同沙粒旋转状态所产生的Magnus力对其跃移运动轨迹特征的影响。在三维坐标系中,X、Y、Z轴分别表示水平、垂直和横向方向,气流沿X方向流动,沙粒起跳时位于XY平面内。结果表明,跃移沙粒仅绕Z轴旋转起跳时,初始起跳角速度的增大会导致在XY平面内的跃移高度和跃移距离减小而降落角增大,但Z方向没有运动发生。跃移沙粒仅绕X轴或Y轴旋转起跳时,绕X轴或Y轴的初始起跳角速度的变化对在XY平面内的跃移轨迹特征量没有显著影响,但沙粒偏离XY平面的偏离距离和偏离角的绝对值随起跳角速度绝对值的增加而增大。因此,沙粒起跳旋转状态对其跃移轨迹有重要的影响。 相似文献
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风沙研究者非常重视对输沙通量随高度变化特征的研究,并为寻找可靠的测量手段付出了不懈的努力。基于高速摄影技术获得的沙粒平均水平速度与沙粒数的垂直剖面,推导了较低风速下环境风洞内输沙通量的垂直剖面。结果表明：沙粒平均水平速度随高度呈幂函数增加,颗粒浓度随高度的算数平方根呈指数衰减。由颗粒平均水平速度剖面与浓度剖面的乘积可获得输沙通量剖面。所获得的输沙通量随高度变化曲线在距床面1~3 mm处均有一个明显的拐点,拐点上方输沙通量随高度呈指数衰减。在床面与拐点之间输沙通量没有明显的变化趋势,这可能是由于气流中颗粒间的碰撞以及颗粒与床面碰撞的影响。平均跃移高度和相对衰减系数是描述输沙通量随高度变化的两个重要参数,两者有着很好的相关性,表明了随着风速增加和沙粒粒径减小跃移颗粒可以达到更大的高度,随着风速减小与粒径增大,输沙通量迅速衰减。 相似文献
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基于起跳初速度分布的沙颗粒浓度廓线的数值模拟 总被引：1，自引：1，他引：0
跃移层内沙颗粒浓度分布是风沙两相流相互作用的结果,准确的沙颗粒浓度分布有助于弄清风沙互馈机制及沙颗粒间相互作用机制。由于沙颗粒浓度分布与沙颗粒起跳初速度分布以及气流运动密切相关,本文基于特定的沙颗粒起跳初速度分布函数,通过构建的沙颗粒在气流中运动的物理模型,并利用四阶精度的Adams-Bashforth-Moulton方法对所构建运动模型进行求解,统计分析稳定状态下两相流中沙颗粒运动轨迹的分布,分析其浓度廓线的垂向分布规律。计算结果表明跃移层内沙颗粒浓度分布廓线与高程呈负指数或伽马分布关系;高度一定时沙颗粒浓度廓线随摩阻风速的增大而减小,随颗粒直径的增大而增大。 相似文献
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稳态风沙流中瞬态输沙特征 总被引：1，自引：0，他引：1
风沙流中沙粒运动在来流风速不变时也会表现出非稳态特征。在风洞内利用粒子图像测速系统（PIV）测量了风沙运动的时间序列，并基于PIV测量技术提出风沙流中沙粒平均直径、数密度、平均水平速度和输沙通量等参数在某一时刻的计算方法，其中输沙通量的计算考虑沙粒大小垂向分布的影响。结果表明：来流风速不变时，沙粒平均直径、数密度、平均水平速度和输沙通量随时间具有明显的波动性；沙粒平均直径和平均水平速度的标准偏差一般随高度增加而增加，沙粒数密度和输沙通量标准偏差随高度增大而减小；这些参数的相对标准偏差均随高度增加而增大。 相似文献
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Sand velocity in aeolian sand transport was measured using the laser Doppler technique of PDPA (Phase Doppler Particle Analyzer) in a wind tunnel. The sand velocity profile, probability distribution of particle velocity, particle velocity fluctuation and particle turbulence were analyzed in detail. The experimental results verified that the sand horizontal velocity profile can be expressed by a logarithmic function above 0.01 m, while a deviation occurs below 0.01 m. The mean vertical velocity of grains generally ranges from − 0.2 m/s to 0.2 m/s, and is downward at the lower height, upward at the higher height. The probability distributions of the horizontal velocity of ascending and descending particles have a typical peak and are right-skewed at a height of 4 mm in the lower part of saltation layer. The vertical profile of the horizontal RMS velocity fluctuation of particles shows a single peak. The horizontal RMS velocity fluctuation of sand particles is generally larger than the vertical RMS velocity fluctuation. The RMS velocity fluctuations of grains in both horizontal and vertical directions increase with wind velocity. The particle turbulence intensity decreases with height. The present investigation is helpful in understanding the sand movement mechanism in windblown sand transport and also provides a reference for the study of blowing sand velocity. 相似文献
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Velocity profile of a sand cloud blowing over a gravel surface 总被引：2，自引：0，他引：2
Particle dynamic analyzer (PDA) measurement technology was used to study the turbulent characteristics and the variation with height of the mean horizontal (in the downwind direction) and vertical (in the upward direction) particle velocity of a sand cloud blowing over a gravel surface. The results show that the mean horizontal particle velocity of the cloud increases with height, while the mean vertical velocity decreases with height. The variation of the mean horizontal velocity with height is, to some extent, similar to the wind profile that increases logarithmically with height in the turbulent boundary layer. The variation of the mean vertical velocity with height is much more complex than that of the mean horizontal velocity. The increase of the resultant mean velocity with height can be expressed by a modified power function. Particle turbulence in the downwind direction decreases with height, while that in the vertical direction is complex. For fine sands (0.2–0.3 mm and 0.3–0.4 mm), there is a tendency for the particle turbulence to increase with height. In the very near-surface layer (<4 mm), the movement of blown sand particles is very complex due to the rebound of particles on the bed and the interparticle collisions in the air. Wind starts to accelerate particle movement about 4 mm from the surface. The initial rebound on the bed and the interparticle collisions in the air have a profound effect on particle movement below that height, where particle concentration is very high and wind velocity is very low. 相似文献
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PIV技术及其在风沙边界层研究中的应用 总被引：2，自引：2，他引：0
为了考察粒子图像测速度技术在风沙环境风洞中的测量精度及在风沙边界层研究中的应用潜力,通过筛选适当的示踪颗粒,借助PIV测量系统重新测量了风沙环境风洞中的风廓线,并获得了风沙边界层内跃移沙粒的速度和浓度分布规律。实验结果表明：PIV测得的风速廓线与标准风速廓线仪所测结果相当吻合(R2≥0.99);沙粒跃移的平均水平速度和相对浓度（灰度）沿距离沙面高度分别呈幂函数和负指数分布,沙粒速度随高度和自由风速的增加而增大,相对浓度随高度的增加而快速衰减,风速越小衰减越快,风速越大衰减越慢,这一结果与前人的结论一致。PIV系统为将来能够进行更加精确的风沙运动微观机理研究提供了技术保证。 相似文献
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为揭示沙漠公路两侧风沙流场的空间分布特性，采用欧拉-拉格朗日方法，把气流作为连续介质，把沙粒作为离散体系，利用ANSYS标准k-ε湍流模型和DPM离散相模型，模拟了不同沙粒粒径（150、200、250、300、350 μm）、不同摩阻风速（0.20、0.35、0.50、0.65、0.80 m·s-1）、不同挡风墙高度（1.0、1.5、2.0、2.5、3.0 m）以及不同挡风墙开孔情况下的公路路基附近的沙粒跃移运动，统计了挡风墙前后的沙粒数目，给出了公路路基坡脚和坡顶等典型断面上的气流速度廓线。结果表明：气流通过挡风墙顶部时受压加速，有利于沙粒的输送，而在挡风墙前部气流遇阻减速，形成沙粒堆积。随着沙粒粒径的变大，沙粒跃过挡风墙的能力逐渐变低；随着摩阻风速的变大，气流输运能力增强，更多沙粒越过挡风墙；随着挡风墙高度的增加，阻挡沙粒数亦逐渐增多；挡风墙开孔的位置和大小亦影响着沙粒的运动。这表明离散相模型对复杂下垫面风沙跃移运动的计算具有良好的效果。 相似文献
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Height profile of the mean velocity of an aeolian saltating cloud: Wind tunnel measurements by Particle Image Velocimetry 总被引：3，自引：0，他引：3
The velocity of saltating particles is an important parameter in studying the aeolian sand movement. We used Particle Image Velocimetry to measure the variation with height of the mean particle velocity of a saltating cloud over a loose sand surface in a wind tunnel. The results suggest that both the horizontal and vertical particle velocities fit the Gaussian distribution well, and that the mean particle velocity of a saltating cloud varies with wind velocity, particle size and the height above bed. The mean horizontal velocity is mainly the result of acceleration by the wind and increases with an increase in friction wind velocity but decreases with an increase in grain size because greater wind velocity causes more acceleration and finer particles are more easily accelerated at a given wind velocity. It also increases with an increase in height by a power function, in agreement with previous results obtained by other methods such as the high-speed multi-flash photographic method and Particle Dynamics Analyzer (PDA), reflecting, first, the increase in wind velocity with height through the boundary layer, and second, the longer trajectory-particle path length increases with height and affords a longer time for acceleration by the wind. An empirical model relating the mean horizontal particle velocity and height, friction wind velocity as well as particle size is developed. The ratio of the mean horizontal particle velocity to the clean wind velocity at the same height increases with height but decreases with grain size. The magnitude of mean vertical velocity is much less (one or two orders less) compared with the mean horizontal velocity. The average movement in the vertical direction of a saltating cloud is upward (the mean vertical velocity is positive). Although the upward velocity of a saltating particle should decrease with height due to gravity the mean vertical (upward) velocity (the average of both ascending and descending particles) generally shows a tendency to increase with height. It seems that at higher elevations the data are more and more dominated by the ‘high-flyers’. The underlying mechanism for the mean vertical velocity distribution patterns needs to be clarified by further study. 相似文献
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河北坝上高原土壤风蚀物垂直分布的初步研究 总被引：31，自引：4，他引：27
根据河北坝上高原农田土壤风蚀物的观测与采样分析结果,风蚀物含量随高度的增加,在0~20 cm高度内以指数函数规律递减,反映了以跃移质为主的风沙流结构;在20~100 cm高度内以幂函数规律递减,反映的是悬移质为主的风沙流结构。在风蚀物粒度组成中,随高度增加,砂级颗粒含量减少而粉砂及粘土含量增多;随风速与输沙率的增加,砂级颗粒含量增多而粉砂及粘土含量减少。对风蚀物各粒级含量与高度的相关分析表明:易以迁移形式运动的粒径0.25~0.1 mm土粒百分量以幂函数形式向上递减;沉降速度较低的粒径<0.1 mm土粒百分含量成幂函数形式向上递增。此外,风蚀物平均粒径随高度变细且在50 cm处细于0.1 mm,因此,土壤颗粒成为悬移物质而上升到50 cm以上高度时可能搬运到较远的地区。 相似文献
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In a blowing sand system,the wind provides the driving forces for the particle movement while the moving particles exert the opposite forces to the wind by extracting its momentum.The wind-sand interaction that can be characterized by shear stress and force exerted on the wind by moving particles results in the modification of wind profiles.Detailed wind pro-files re-adapted to blown sand movement are measured in a wind tunnel for different grain size populations and at differ-ent free-stream wind velocities.The shear stress with a blowing sand cloud and force exerted on the wind by moving par-ticles are calculated from the measured wind velocity profiles.The results suggest that the wind profiles with presence of blowing sand cloud assume convex-upward curves on the u(z)-ln(z) plot compared with the straight lines characterizing the velocity profiles of clean wind,and they can be better fitted by power function than log-linear function.The exponent of the power function ranging from 0.1 to 0.17 tends to increase with an increase in wind velocity but decrease with an increase in particle size.The force per unit volume exerted on the wind by blown sand drift that is calculated based on the empirical power functions for the wind velocity profiles is found to decrease with height.The particle-induced force makes the total shear stress with blowing sand cloud partitioned into air-borne stress that results from the wind velocity gradient and grain-borne stress that results from the upward or downward movement of particles.The air-borne stress in-creases with an increase in height,while the grain-borne stress decreases with an increase in height.The air-borne shear stress at the top of sand cloud layer increases with both wind velocity and grain size,implying that it increases with sand transport rate for a given grain size.The shear stress with a blowing sand cloud is also closely related to the sand transport rate.Both the total shear stress and grain-borne stress on the grain top is directly proportional to the squ 相似文献
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跃移质作为风沙流的主体,其近地表垂直分布规律是风沙物理学的重要研究内容,对防沙工程具有重要的指导意义。受研究条件与观测仪器限制,戈壁特别是极端大风区近地表风沙流结构特性研究较为薄弱。利用多梯度风蚀传感器与阶梯式集沙仪对兰新高铁烟墩风区戈壁近地表风沙流跃移质的垂直分布特性进行了观测研究。结果表明：兰新高铁烟墩风区戈壁沙粒发生跃移运动的2 m高临界风速达12 m·s-1;戈壁近地表风沙流具有明显的阵性特征,沙粒跃移发生的时间比例在50%以下,与平均风速成正相关关系,与风速脉动强度无显著相关关系;2 m高阵风7级风速下,戈壁跃移沙粒主要集中于地表50 cm范围内,近地表风沙流结构呈"象鼻效应",跃移质最大质量通量出现在地表2.5~5 cm高度处,沙粒最大跃移高度可达2 m,且沙粒跃移高度随2 m高风速的增加呈指数规律递增。因此,兰新高铁烟墩风区2 m高阻沙栅栏不足以完全阻截戈壁风沙流,是造成烟墩风区兰新高铁轨道积沙的重要原因之一。 相似文献