风沙运动的理论模拟和风洞实验对比研究.PDFVIP

第37卷 第1期 Vol.37 No.1 2014年1月 ARID LAND GEOGRAPHY Jan. 2014 风沙运动的理论模拟和风洞实验对比研究① 岳高伟， 毕伟， 贾慧娜 （河南理工大学土木工程学院，河南 焦作 454000） 摘 要： 针对输沙率这一风沙运动的重要问题，在沙坡头野外风洞进行了实验观测，同时建立热 对流-扩散作用下的风沙运动多场耦合模型，采用大涡模拟方法对其进行数值模拟研究。通过对 比实验观测和理论模拟，结果表明：实验和理论模拟得到的风速和输沙率都比较吻合，风速近似可 分为两部分，在35cm高度以上，风场受沙粒的影响较弱，风速服从对数分布，与净风场一致；在0～ 35cm高度区间，受大量跃移运动沙粒的阻滞作用使得风速单调减小，随着风速加强，跃移运动沙 粒的数量也在增大，风速梯度逐渐减小。在风沙流发展过程中，开始阶段输沙率随时间呈指数增 大，而后逐渐减小，直至达到动态稳定；随着风速加强，输沙率变大，风沙运动达到动态稳定的时间 变短。风洞实验和理论模拟的输沙率结果在10cm以上吻合得很好，但在10cm以下，风洞实验和 理论模拟差别较大。同一风速下，采用最小二乘法对风洞实验和理论模拟的输沙率进行拟合并得 到拟合公式：输沙率沿高度呈指数规律递减。同时，在不同风速下对同一高度层输沙率对比分析 表明，贴近地表处（0～10cm）高度层内输沙率随风速增大所占的百分率降低；而在10cm以上高度 层内，随着风速的增大，其输沙率所占总输沙率的百分比却有明显增加。 关 键 词： 输沙率；风洞实验；理论模拟；拟合公式 中图分类号： O313.7 文献标识码：A 文章编号：1000-6060（2014）01-0081-08（81～88） 在风沙运动中，对风沙流结构中输沙率的定量 别是在近床面，理论模拟更具有说服力［13，21-24］。 研究，是掌握风沙地貌的形成和演变规律，进行防 本文采用实验观测和理论模拟相结合的方法， 沙治沙的重要因素。为此许多学者采用风洞模拟 实验观测为基础，以理论模拟弥补实验的不足，并 ［1-7］ 实验和野外观测等手段对输沙率进行研究 。集 从理论上对实验进行指导，为防沙治沙提供经济有 沙仪是实验观测输沙率所必需的仪器，长期以来，国 效的方法。 ［8-13］ 内外的许多研究者设计了各种形式的集沙仪 。 但是，集沙仪作为风沙流中的一种阻碍，它对气流 1 实验研究 的干扰是不可避免的，所以任何集沙仪的测量结果 都只能是近似的［9，14-18］。 风沙运动实验测量是在中国科学院沙坡头野外 因而，虽然集沙仪是输沙率实验测量不可或缺 风洞中进行的。实验中的风洞为直流闭口吹气式， 的仪器，但是无论风洞实验还是野外观测，近床面 全长约38m，其中实验段长21m，截面积1.2 m× 区集沙仪的集沙效率普遍较低［13，17，19-20］。为此，风沙 1.2m，风速由2～30m/s连续可调。实验床面自风 流中输沙率的理论模拟就显得尤为重要，虽然理论 洞实验段入口开始向下风向铺设16m长的沙层，其 模型中会忽略一些客观存在的次要因素，但对风沙 厚度为10cm。风速廓线仪固定在风洞的垂向中线 运动产生影响的主要因素在模拟中就能完整地反 上所铺沙面的终点处。风速廓线仪由按对数规律 映风沙运动的规律，而且往往比实验更为准确，特 置于不同高度上的10个精细毕托管组成。轴线风 收稿日期：2013-04-09；修订日期：2013-06-04 基金项目：河南省重点学科资助项目（509919）；河南理工大学博士基金（B2009-84） 作者简介：岳高伟（197