基于风沙两相流同步观测的风沙跃移颗粒动态演化过程研究

Aeolian saltation caused by airflow and particle-bed collision has an important influence on the process and evolution of aeolian landforms. Turbulence exists in natural world airflow. Most studies pay attention to the effect of average wind speed on sand (dust) and usually investigate the particle-bed collision, saltation process and airflow velocity field of wind-sand flow separately due to its complexity and the limitation of measurement methods and technique. This study object mainly explores the law of saltation movement affected by turbulence in air. Firstly, movement of saltating grains and tracer particles of different height are measured simultaneously by using a high-speed digital camera system in a wind tunnel, and then the particle-bed collision, saltation process and airflow field are analyzed simultaneously to reveal initial lift-off velocity distribution function, digital trajectories of saltating sand grains and airflow velocity field with the aid of image processing technology. Secondly, the airflow velocity field and digital trajectories are analyzed to reveal the laws of airflow drag force and turbulence characteristics. Thirdly, the above results are compared with the results of saltation movement model in which initial lift-off velocity distribution function is as an initial condition to modify saltation movement model, as there are some errors due to ignoring the turbulence properties. Finally, the movement law of saltating sand grains is revealed. This research also has important significance both theoretical and practical, including perfecting the theory of aeolian physics, accurately predicting the evolution of wind-blown sand and making reasonable measures of prevent and control sand erosion.

气流和粒-床碰撞共同作用引起的风沙颗粒跃移运动对近地表风沙地貌形态和运动都具有重要影响。自然界中的气流都不同程度的存在湍流，然而由于湍流的复杂性以及测量技术的限制，目前跃移运动过程的研究主要考虑平均风速对沙粒（尘）的作用，而且缺少粒-床碰撞过程、跃移过程和气流速度场的同步观测研究。本项目拟采用图像处理技术对在室内风洞中拍摄到的跃移沙粒和示踪粒子图像进行识别与追踪，实现粒-床碰撞过程、跃移过程和气流场的同步测量，进而建立起跳速度概率分布、跃移运动数字轨迹和气流速度场；分析气流速度场和跃移运动数字轨迹，揭示气流拖拽力变化规律以及湍流特征；通过跃移运动受力模型模拟计算跃移轨迹并和风洞实验数据对比，修正模拟跃移运动时忽略湍流属性对受力模型的影响，最终揭示跃移沙粒的运动规律。这对我们完善风沙物理学基础理论、风沙流形成和演化的准确预测和预报以及科学制定防沙固沙措施等具有重要意义。

在风洞中通过测量跃移运动起跳、上升、下降和粒-床碰撞等过程的运动状态参数（速度和角度），研究了风沙跃移运动的演化规律。主要结果如下：（1）稳态风沙流内跃移颗粒水平和垂直起跳速度概率分布均呈现双峰分布形态。水平和垂直起跳速度分布曲线中的第一和第二个最大值分别出现在0.25和1.0m/s附近，以及0和1.0m/s处。第一个峰值主要与溅射颗粒有关，而第二个峰值主要由反弹颗粒引起。最后，给出了风沙流跃移颗粒起跳速度概率分布模型。根据模型，起跳速度的概率分布可以呈各种形态的单峰及明显的双峰，这主要取决于起跳颗粒中溅射颗粒和反弹颗粒的比例，即风沙流的发展阶段。（2）上升过程和降落过程的跃移水平速度均随距床面高度增加呈较强的幂指数递增关系，在距床面高度15~25mm以下，上升段的垂直平均速度随高度有增加趋势，在此高度以上有减小趋势。随着颗粒接近床面，降落段的垂直平均速度逐渐减小并趋于一个定值（0.12m/s）。（3）风沙流内的冲击角度约10.5±4.5°，冲击速度与溅射颗粒数呈线性递增，引起溅射颗粒的临界冲击速度约为1.2027 ± 0.0791m/s，冲击颗粒的动量损失分数与冲击速度呈线性递减，摩擦作用引起的动量损失分量几乎与冲击速度无关，为一个常量（约为0.1～0.3）。（4）根据碰撞过程动量守恒，冲击速度小于7m/s时，溅射速度与冲击速度呈线性递增并逐渐达到极大值（约为0.7543m/s），当冲击速度大于7m/s时，随着冲击速度增大，溅射速度缓慢减小并逐渐接近一个常量（约为0.6137m/s）。本项目的研究结果不仅揭示了风沙流跃移颗粒运动规律，也为进一步研究风沙流内湍流特征提供了数据支撑。