风洞中挟沙气流水平集沙实验研究(倪晋仁, 李振山)

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风洞中挟沙气流水平集沙实验研究水利论文 ^|R,I@ vC

倪晋仁1,3李振山2,3
(LuG WjP7|L2m0(1.北京大学 环境科学中心;2.清华大学 水利工程系;3.水沙科学教育部重点实验室)

U)ifM I$X0

摘要:过去对挟沙气流水平集沙的实验研究较少。在5种风速和2种沙粒粒径条件下进行了风洞水平集沙实验,发现沙粒降落量的分布特征由参考点沙粒降落量、沙粒平均最大跃移长度和“跃移 扩散”指数三个参数共同决定。其中,沙粒平均最大跃移长度随气流摩阻速度和沙粒粒径的增大而增大,“跃移 扩散”指数则呈相反的变化趋势。挟沙气流水平集沙实验研究是传统的垂直集沙研究的有益补充,对理解近床面层区的集沙效率也有参考意义。水利论文 [ z+arD`2D

关键词:挟沙气流; 沙粒降落量; “跃移 扩散”指数

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基金项目国家自然科学基金资助项目(49625101)。
GIkH/VeIIR0作者简介:倪晋仁(1962-),男,山西山阴人,北京大学教授。
+u#\0aMN0收稿日期:2000-12-11

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1 引言水利论文P+YS8jl

  挟沙气流运动机理的研究对人们认识风沙运动规律和风沙治理实践具有重要的作用。气流中沙粒运动的主要形式包括跃移、悬移和蠕移。沙粒在沿气流方向运动时,可能沿程(下风向)不断地降落和起跳。因此,沙粒运动特点既可以通过垂线方向沙粒运动参数变化的特征来反映,也可以通过穿越某给定断面以后沙粒降落过程中参数的变化特征来反映,二者有着密切的关系。只不过前者的表现形式多为平均跳跃高度、跳跃高度的随机分布、输沙量及其垂线分布等;后者则表现为平均跳跃长度、跳跃长度的随机分布、沙粒的降落量及其沿气流方向的分布等。上述两个方面的研究各有侧重且不能相互替代。过去的研究多从沙粒运动的垂向分布特征展开,如Bagnold[1]对输沙率的理论研究,Owen[2]对沙粒跃移高度和跃移长度的理论分析,Butterfiled[3]对输沙量垂线分布的实验研究等。相对而言,对沙粒降落量沿水平轴线方向的分布特征之研究则很少。

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  通过设定参考断面,可以观测断面下风向范围内沙粒降落量沿纵向的分布特征。这时穿过给定气流断面后沙粒沿程的降落量即为当地沙粒浓度与沙粒降落速度之乘积。沙粒降落量分布可以通过水平集沙仪测得。过去关于沙粒降落量分布的研究很少。河村龙马[4]为了研究沙粒平均跃移长度,进行了与沙粒降落量分布有关的水平集沙风洞实验。采用的水平集沙仪纵向总长10cm,分20个集沙盒,每个集沙盒的进沙口纵向长0.5cm。在气流摩阻速度为40.99cm/s和沙粒平均粒径为0.25mm的条件下,测得了沙粒降落量分布并对沙粒跃移分布进行了分析。由于水平集沙仪总长有限,部分沙粒会越过所有集沙盒继续向下风向输移,因河村龙马的实测数据并没有反映出沙粒降落量分布之全貌。

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  Horikawa和Shen[5]采用了总长55.88cm,宽30.48cm和高30.48cm的水平集沙仪,沿纵向布设7个集沙盒,在气流摩阻速度范围30~120cm/s和平均沙粒粒径0.2mm的条件下,测量了风洞内沙粒降落量沿程分布。测量结果表明,水平集沙仪的集沙效率随风速的增大而减小,蠕移量在全部输沙量中占20%。原作者给出了气流摩阻速度为76.2cm/s条件下的沙粒降落量分布实验结果,但未对其分布规律进行探讨。水利论文1Q$M y&aH]

  Belly[6]采用纵向长2.4m、由18个集沙盒组成的水平集沙仪,在风洞内对输沙率进行了测量。实验发现在高风速条件下由于沙粒跳跃轨迹平缓,因而需要很长的集沙仪才能收集到越过测量断面的全部沙粒。最近,Greeley等[7]在野外采用纵向长3m、横向宽10m、共168个集沙盒组成的集沙仪在野外进行了水平集沙实验,其中每个集沙盒纵向长37cm,横向宽47cm,开口面积约为1739cm2。实验发现在测量断面附近收集到的沙粒较粗,并认为是由于包含了蠕移沙粒的原故。Greeley等进行的水平实验,主要是为了标定垂直集沙仪的集沙效率,设计的集沙盒开口面积较大,也没有对沙粒降落量分布进行分析。可见,目前不仅缺少较为系统的沙粒降落量分布实测资料,也缺乏对沙粒降落量分布规律的细致研究。

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  本文针对目前沙粒降落量分布实测资料不足的现状,进行了较大风速范围、两种级配沙粒条件下的沙粒降落量分布的系列风洞实验,根据气流中沙粒的运动特性提出了沙粒的“跃移 扩散”概念,并对实测沙粒降落量分布进行了定量描述。水利论文!tErL4f#y&Kmh;L v

2 水平集沙实验

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2.1 实验设备及仪器

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  实验研究是在中国科学院兰州沙漠研究所沙坡头沙漠研究站的直流闭口吹气式活动风洞系统中完成。实验段长21m,截面通常为1.2×1.2m2;风洞扩压段长3m。风洞直接落在地面上,其底板由8块3m长的小板组成。

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  实验中采用了特制的水平集沙器以测量沙粒降落量分布。集沙器上部为木质三合板制作的栅格状进沙盒,盒内粘贴牛皮纸漏斗,下部为盛沙瓶。每个进沙盒口大小为10cm×10cm,横向12个进沙盒并列,共长1.2m,与风洞同宽;纵向25个进沙盒,共长250cm,总共300个进沙盒。为操作方便,将进沙盒分为两组,前一组10个进沙盒,后一组纵向上15个进沙盒(图1)。实际给出的水平集沙实验结果为风洞中央20cm宽范围内水平集沙量的平均值。风速测量采用防沙毕托管连接数字压力仪采集,并通过微机自动记录。防沙毕托管由合金管制成,并经过专门率定。数字压力仪为国产BPY I型数字压力仪,测量误差小于0.15%。水利论文!h }I\Nm

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图1 实验用水平集沙器示意图水利论文J AoD F.r)c
Fig.1 Scheme of the horizontal array trap used in present experiment

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2.2 实验程序

+K~4Y'm)~%^0Q/\'O0  实验分别在两种沙粒、五种风速条件下进行。两种实验用沙(以下分别称为A沙和B沙)分别选自滕格里沙漠东南缘地区的沙坡头和孟家湾,A沙平均粒径0.17mm,B沙平均粒径0.35mm,A沙和B沙的累积频率曲线见图2。五种风速以风洞实验段前缘轴线风速(简称进口风速)为标准分别选定为8.5,11.5,13.5,16.5和22.5m/s。水利论文J/J u umc kA }

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  实验分水平集沙和风速测量两个步骤。根据预备实验中对床面蚀积过程的观测,风沙流在距实验段前缘约10m之内就已经达到饱和,本实验将测量断面选择在距实验段前缘13.5m处。实验中的沙床从距实验段前缘1m处开始,直至风洞出口处,宽1.2m(与风洞同宽),厚6cm,长23m。沙面用三角尺人工认真刮平后都由水平尺进行了校准,沙面前缘做成约为30°缓坡。其中在距实验段前缘13.5m至16m之间不置风洞底板,也不铺沙,以便放置自制的水平集沙仪。水利论文0x-B s1q%V

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图2 实验用沙的级配累积曲线
0EK1ck#kb ^dq*`s0Fig.2 Sand particle size distribution
水利论文.Ww~ @3V%gk

  在水平集沙实验中,首先在风洞实验段内距实验段前缘13.5m至16m之间的沙面下挖约30cm,并将下挖后的沙床用五合板覆盖。通过预置集沙器的方法确定每个进沙盒对应的盛沙瓶所放置的准确位置。然后摆放盛沙瓶,放置进沙盒,并注意每一个进沙盒的牛皮纸漏斗是否准确地落入盛沙瓶内。接着从集沙器的上、下风向的两边开始平整床面,并确保沙面与集沙器的进沙口处于同一水平面上。沙面平整后,开始吹风。吹风完毕后将每个进沙盒内残留的沙粒用小毛刷扫入盛沙瓶内,然后移去进沙盒。对每一个盛沙瓶内的沙粒用电子秤称重。在两种沙粒、五种风速条件下共进行了10组实验,其中五种风速从小到大对应的集沙时间分别为3分钟、2分钟、1分钟、30秒和20秒。风速测量位置在水平集沙仪前缘所在气流断面的中央,沿垂线共测量11个点的风速,测点距床面高度分别为0.25,0.5,0.75,1,2,3.5,5,10,20,35和60cm。风速采样时间间隔为1秒钟,每一测点采集约15个数值,然后取平均值,11个测点测风时间共需5分钟左右。风速测量时间比水平集沙时间长,因而每一种风速条件下风速测量与集沙实验分开进行,但进口风速保持一致。水利论文9q4H3@7\*Wo ]"TK&i;?e

3 实验结果与讨论水利论文!XJ!?2b*N(O*i6E&s0F9j

  图3是风洞中央20cm宽范围内平均沙粒降落量的实验结果。图中的气流摩阻速度(U*)是通过对风速测点值进行对数曲线拟合求得。考虑到挟沙气流的速度廓线下部弯曲的情况,计算时选用的测点限于距床面3cm以上的范围。将实验结果按照不同沙粒运动参数进行点绘和分析后发现,平均沙粒降落量分布大致遵循以下关系

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q(x)=b(1/x-1/L)m    (1)水利论文 Ah8q"q F EzR ]

  式中 沙粒降落量分布函数q(x)包括三个参数,即反映参考点沙粒降落量大小的参数(b),分布范围参数(L)和分布梯度参数(m)。

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  将五种风速和两种沙粒条件下的10组沙粒降落量实测数据按(1)式点绘,可以看出实测沙粒降落量分布能够被(1)式很好地描述。各组实验对应的b,L和m参数取值见表1。表中r为(1)式与实测沙粒降落量分布之间的相关系数。

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图3 实测沙粒降落量分布数据与(1)式的比较
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Fig.3 Comparison of measured and calculated results by authors

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表1 实测沙粒降落量分布中的参数变化
V"K?/spl a^5m0Table 1 Variation of the parameters in longitudinal falling sand distributions from experiments

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进口风速(m/s)

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A沙(d=0.17mm)

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B沙(d=0.35mm)水利论文RW?^!vDzbI*B.rM



U*(m/s)bLmr2U*(m/s)bLmr2

8.50.611.734501.470.9980.470.542800.810.993
11.50.862.405001.100.9970.771.283500.790.993
13.51.183.185250.790.9901.113.034700.780.990
16.51.645.295500.700.9801.536.275800.730.990
22.52.3610.035800.610.9722.3111.016800.640.990

  总的看来,(1)式中的三个参数b,L和m的变化决定于气流摩阻速度和沙粒粒径的变化。由(1)式可知,参数b是x=L/(L+1)时的沙粒降落量,是反映沙粒降落量绝对大小的参数,可以看作是沙粒在参考断面处综合特性的反映;当沙粒降落量分布以相对通量的形式表示时,该参数被消掉。

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  沙粒降落量的分布范围参数(L)反映了沙粒的平均最大跃移长度,其变化特点同参数b的变化趋势相似。L随气流速度的增大而增大,在风速较小时,较细沙粒(A实验)的L比较粗沙粒(B实验)的L大,而在风速较大时L随沙粒粒径的增大而增大(见表1)。  水利论文#H[G | V5_3y~'@

  沙粒降落量分布梯度参数(m)可以视为沙粒的“跃移 扩散”指数,既反映了沙粒与床面碰撞后的起跃特征,又表征了沙粒在气流中的扩散行为。它随气流摩阻速度的增大而减小(见表1)。说明气流摩阻速度越小,沙粒降落量分布梯度越大。在风速较小时,较细沙粒对应的“跃移 扩散”指数较小,较粗沙粒对应的指数较大;在风速较大时,两种沙粒对应的“跃移 扩散”指数值相近。

z&j`3JXo0  进一步的研究表明,(1)式不仅与作者的沙粒降落量实验数据相吻合,而且也与过去的少有的几家实测资料符合较好(见图4)。用(1)式表示时,河村龙马[4]的实验结果对应于参数b,L和m分别为0.35,110和0.89的情形;Horikawa & Shen[5]的实验结果对应于三个参数分别为0.22,220和1.01的情形。水利论文8c B+LS(~^ C ` P p,S

水利论文 y6FAG8`q@i

  沙粒降落量分布可以用方程(1)很好地描述的事实,说明蠕移沙粒和跃移沙粒的降落量分布可以用一个一般的函数来对二者进行概括,因此没有必要规定一个严格的界限来将蠕移量与跃移量截然分开。要精确地测量蠕移量的大小是相对困难的,过去不同作者关于蠕移量在全部输沙量中所占比例的研究结果差异较大,变化范围从6.5%至50%[1,5,8]水利论文W"vMse~

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图4 (1)式与其它沙粒降落量分布实测数据的比较
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Fig.4 Comparison of measured data from other investigators
(F7U\yV,JD0and calculated results
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是例证。另外,(1)式在x=0处发散,考虑到沙粒并非质点,它具有一定的尺寸大小,因而在实际应用时可以用某一参考点的坐标(如d/2)作为x的取值。由于(1)式中参数b表示的是某一参考点的沙粒降落量的绝对大小,参数L和m与气流摩阻速度和沙粒粒径的定量关系便成为沙粒降落量分布研究的关键。

4 结论水利论文j/Z-{)C/c DgW

  通过5种风速和2种沙粒粒径条件下的风洞水平集沙实验,得到的主要结论如下。水利论文 g u4dww'j'PK%j

  (1)沙粒降落量的分布特征由参考点沙粒降落量、沙粒平均最大跃移长度和“跃移 扩散”指数三个参数共同决定。水利论文~-M;JA4}&KTI

  (2)沙粒平均最大跃移长度随气流摩阻速度和沙粒粒径的增大而增大,“跃移 扩散”指数则呈相反的变化趋势。水利论文2K;C8}'n/m7mc

  挟沙气流水平集沙实验研究对理解近床面区的集沙效率具有重要的参考意义。沙粒平均最大跃移长度和“跃移 扩散”指数与气流摩阻速度、沙粒粒径及其它参数之间的定量关系是今后进一步研究的重点,并且尚须更多的实测资料作为基础。

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参 考 文 献水利论文| S+QM8i9Rj6n#G'^0QE

[1] Bagnold R A.The Physics of Blown Sand and Desert Dunes.London:Methuen.1941.64~69.水利论文*A9[8W0T6P

[2] Owen P R.The physics of sand movement.Lecture Notes,Workshop on physics of flow in desert.Trieste:International Centre for Theoetical Physics,1980.水利论文7kU0`6lI2t3V

[3] Butterfield G R.Near-bed mass flux profiles in aeolian sand transport:High-resolution measurements in a wind tunnel.Earth Surface Processes and Landforms,1999,24(5):393~412.水利论文W(? \ Fe R*r7lP]E

[4] 河村龙马.飞砂の的研究.东京大学理工学研究所报告.1951,5(3/4):95~112.

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[5] Horikawa K,Shen H W.Sand movement by wind action.US Army Corps of Engineers,Beach Erosion Board,Tech,Memo.,119,1960.

4R9R3jL IBH U g/E0

[6] Belly P Y.Sand movement by wind (with Addendum Ⅱ by A Kadib).U.S. Army,Corps of Engineers,Coastal Engineering Research Center,Tech.Memo.No.1,1964.水利论文"}c.m s%Ih3]

[7] Greeley R,Blumberg,Williams S H.Field measurements of the flux and speed of wind-blown sand.Sedmentology,1996,43:41~52.水利论文4Sb+F)~:prp fP

[8] Willetts B B,Rice M A.Wind tunnel tracer experiments using dyed sand.In:Barndorff-nielsen O E,Moller J T,Willetts B B eds.Proceedings of International Workshop on the Physics of Blown Sand.Department of Theoretical Statistics University of Aarhus,1985.225~242.

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TAG: 李振山 倪晋仁 沙气流 风洞 实验
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