流體起動(dòng)是一種基本的風(fēng)沙起動(dòng)形式,是土壤風(fēng)蝕研究的重要內(nèi)容。當(dāng)風(fēng)力逐步增大到某一臨界值后,一些地表沙粒開始脫離靜止?fàn)顟B(tài),隨著氣流一起運(yùn)動(dòng),這個(gè)臨界風(fēng)速值稱為起動(dòng)風(fēng)速,可見流體起動(dòng)是造成土壤風(fēng)燭、土地荒漠化等的決定性因素,并且直接影響到人類生活。其中臨界摩阻風(fēng)速則是描述風(fēng)沙起動(dòng)的核心參數(shù),對判定沙塵事件發(fā)生,預(yù)測沙塵釋放量,評(píng)估風(fēng)沙輸運(yùn)強(qiáng)度有著十分重要的作用,因此成為風(fēng)沙研究中的關(guān)鍵物理量。本文在風(fēng)洞中進(jìn)行沙塵顆粒流體起動(dòng)臨界值的相關(guān)實(shí)驗(yàn)研究,通過模擬沙塵顆粒的流體釋放過程,并對流體釋放過程中的主要物理量進(jìn)行測量。本次實(shí)驗(yàn)通過監(jiān)測湍流邊界層內(nèi)地表剪切力的變化并與平均釋放率相對應(yīng),結(jié)合瞬態(tài)Shield數(shù)隨時(shí)間變化的分析,最終提出本文所用的流體起動(dòng)臨界值的預(yù)測模型。同時(shí)分別采用傳統(tǒng)閾值法、改進(jìn)后的閾值法與改進(jìn)后的反推法對沙塵顆粒流體起動(dòng)的臨界值進(jìn)行系統(tǒng)的測試,得到不同判定準(zhǔn)則下的臨界摩阻風(fēng)速,通過將改進(jìn)后的判定方法與傳統(tǒng)閾值法下所得到的實(shí)驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行對比分析,我們發(fā)現(xiàn)改進(jìn)后的判定方法所得到的臨界摩阻風(fēng)速更為準(zhǔn)確,同時(shí)更符合流體起動(dòng)的物理意義,相反對于傳統(tǒng)閾值法,這種判定準(zhǔn)則更多依賴于經(jīng)驗(yàn)性的判斷,缺少物理機(jī)理的支撐。本文得到一系列單一粒徑顆粒在改進(jìn)后的閾值法與改進(jìn)后的反推法下的臨界摩阻風(fēng)速,并與前人的實(shí)驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行對比分析,發(fā)現(xiàn)u_(*t)與粒徑之間呈現(xiàn)V字型的關(guān)系,最終我們得到臨界粒徑為40?m,并且u_(*t)遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于前人的實(shí)驗(yàn)結(jié)果,因此我們認(rèn)為傳統(tǒng)判定準(zhǔn)則并不能準(zhǔn)確預(yù)測流體起動(dòng)臨界值,同時(shí)前人低估了顆粒的臨界摩阻風(fēng)速。對于粉塵顆粒,本文通過統(tǒng)計(jì)濃度大于0.001g m~3的釋放頻次并對釋放頻次進(jìn)行分析,最終將0.87作為判定顆粒流體起動(dòng)的臨界頻率,以便用于對粉塵顆粒臨界起動(dòng)風(fēng)速的預(yù)測。
【學(xué)位單位】：蘭州大學(xué)
【學(xué)位級(jí)別】：碩士
【學(xué)位年份】：2018
【中圖分類】：P425.55
【部分圖文】：

蘭州大學(xué)碩士學(xué)位論文 沙塵顆粒流體起動(dòng)臨界值的風(fēng)洞實(shí)驗(yàn)研究1.2 地表顆粒臨界起動(dòng)風(fēng)速的研究1.2.1 風(fēng)沙運(yùn)動(dòng)的三種形式流體起動(dòng)是風(fēng)沙運(yùn)動(dòng)中的重要環(huán)節(jié)，當(dāng)風(fēng)速大于流體起動(dòng)臨界值時(shí)，地表顆粒開始運(yùn)動(dòng)，形成風(fēng)沙流（吳正,2003）。在風(fēng)沙運(yùn)動(dòng)的過程中，不同粒徑的顆粒有著不同的運(yùn)動(dòng)形式，Bagnold（1941）根據(jù)風(fēng)洞實(shí)驗(yàn)將其分為三類，分別為蠕移運(yùn)動(dòng)、躍移運(yùn)動(dòng)以及懸移運(yùn)動(dòng)（圖 1-1）。

圖 1-2 不同粒徑顆粒的運(yùn)動(dòng)形式（吳正, 2003）Bagnold（1941）通過一系列實(shí)驗(yàn)觀測發(fā)現(xiàn)，躍移顆粒在風(fēng)沙運(yùn)動(dòng)中占總的輸運(yùn)量的 75%，其中蠕移顆粒占總的輸運(yùn)量的 25%左右，吳正和凌玉泉（1965）通過野外觀測也得到相同結(jié)論，Sharp（1964）通過野外觀測發(fā)現(xiàn)在風(fēng)沙運(yùn)動(dòng)中，隨著粗沙比例的逐漸增大，蠕移運(yùn)動(dòng)越發(fā)明顯。但目前對蠕移運(yùn)動(dòng)的研究較少，原因在于觀測手段的限制，對于肉眼觀測的實(shí)驗(yàn)手段，準(zhǔn)確性受到實(shí)驗(yàn)者主觀因素的嚴(yán)重影響，對于 PIV 等光學(xué)儀器的實(shí)驗(yàn)手段，在進(jìn)行實(shí)驗(yàn)時(shí)，床面會(huì)變的非常亮，無法識(shí)別近床面顆粒的運(yùn)動(dòng)狀況，因此會(huì)造成一定的誤差，對于采用光學(xué)手段的實(shí)驗(yàn)方法，后處理的難度較高，對于收集蠕移顆粒的實(shí)驗(yàn)手段，準(zhǔn)確性直接受到實(shí)驗(yàn)儀器精度的影響。躍移運(yùn)動(dòng)之所以受到科研工作者地廣泛關(guān)注，原因在于，躍移運(yùn)動(dòng)被認(rèn)為是風(fēng)沙運(yùn)動(dòng)中的主要運(yùn)動(dòng)形式，也是造成風(fēng)沙災(zāi)害的主要因素。Bagnold（1941）和 Chepil（1945）等人認(rèn)為，躍移轟擊是造成土壤風(fēng)蝕現(xiàn)象的主要因素，同時(shí)躍移運(yùn)動(dòng)跟懸移運(yùn)動(dòng)與蠕移運(yùn)動(dòng)有著緊密聯(lián)系。因此，大量的科研工作者從事相關(guān)實(shí)驗(yàn)研究與數(shù)值模擬。Anderson 和 Haff（1988）以及 Shao

本文實(shí)驗(yàn)在蘭州大學(xué)多功能環(huán)境風(fēng)洞中進(jìn)行，具體實(shí)驗(yàn)布置如圖 2-1 所示。在風(fēng)洞入風(fēng)口處安置尖劈與粗糙元來模擬大氣湍流邊界層并保證下風(fēng)向?qū)嶒?yàn)區(qū)域 20cm 以內(nèi)風(fēng)速滿足對數(shù)規(guī)律，在實(shí)驗(yàn)段鋪設(shè)足夠長的砂紙來保證湍流邊界層能夠充分發(fā)展，并模擬粗糙地表，本次實(shí)驗(yàn)之所以采用砂紙模擬粗糙地表，原因如下：（1）砂紙表面粗糙度比較均一，可以代替單一粒徑床面，減少沙床對實(shí)驗(yàn)結(jié)果的影響，提高實(shí)驗(yàn)精度；（2）使用粘沙板，難免會(huì)出現(xiàn)顆粒脫落，影響實(shí)驗(yàn)結(jié)果的準(zhǔn)確性，而砂紙可以避免出現(xiàn)這種現(xiàn)象；（3）砂紙可以重復(fù)使用，拆卸方便；（4）鋪設(shè)整張砂紙，可以直接蓋過板與板之間的接縫，避免接縫對實(shí)驗(yàn)結(jié)果的影響。在風(fēng)洞實(shí)驗(yàn)段下風(fēng)向軸線位置，開有槽，將帶有實(shí)驗(yàn)材料的托盤放入槽中，在托盤上風(fēng)向處布置有 4 個(gè) Irwin 探頭，在托盤下風(fēng)向 1m 處，放有粉塵收集器，通過 PVC 管與另一端離心風(fēng)機(jī)相連，目的在于實(shí)時(shí)更新管內(nèi)粉塵濃度，粉塵濃度儀放置在 PVC 管軸線位置，測量顆粒釋放量，并且通過稱重的方法測量損失量，同時(shí)采用皮托管實(shí)時(shí)監(jiān)測風(fēng)速變化，壓力掃描閥及 Irwin 探頭測量地表剪切力。
【參考文獻(xiàn)】

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