沙粒起跳与风沙流研究分析.doc

1.2 国内外研究现状 1.2.1 沙粒起跳与风沙流的研究 目前关于沙粒在风载作用下的起跃机制，许多学者基于不同出发点提出不同 假说，主要有斜面飞升说，升力起动说，压差起动说，冲击起动说，振动起动说， 湍流起动说，负压起动说及涡旋起动说。就工程固沙而言，其理论基础是风沙物 理学，在风沙研究方面，拜格诺、切皮尔、辛格、河村龙马、掘川、兹拉门斯基、 雅库波夫、刘振兴、朱震达、吴正、董治宝等对风沙流结构强度的宏观研究作出 了重要贡献。而伍德拉夫、哈德森、欧文、怀特等在沙粒平均轨迹；单颗沙粒跃 移轨迹德几何参数以及受力过程等微观研究中作出了大量工作。 20 世纪 30 年代，拜格诺应用 von karman(1934) 、prangtl(1935)和 shields 所 创立德现代流体力学理论，通过风洞实验和野外实验验证，在利比亚沙漠研究沙 粒运动的特性，沙粒受力起动的机理、沙波纹、沙脊和沙丘形成的动力学过程， 于 1941 年出版了《风沙和荒漠沙丘物理学》，从而奠定了现代风沙物理过程研究 的基础，标志着风沙物理学的正式诞生。拜格诺对风沙物理学的贡献集中反映在 《风沙和荒漠沙丘物理学》一书中。拜格诺的研究工作主要是在沙粒运动方面， 他以风沙颗粒运动物理学微观和宏观尺度，风沙地貌（沙波纹、沙脊和沙丘等） 形成的动力过程到鸣沙的发声机制等，初步勾画出了风沙物理学的主要内容。他 将最终沉降速度小于风力作用所产生的垂直向上速度的颗粒定义为尘，并划分了 砂、砾和尘的粒径范围为 1mm 和 0.01mm。把风沙运动划分为蠕移、跃移和悬 移；并且通过实验测得跃移的沙粒占总量的 75％～80％。风压力直接引起了跃 移运动，且认为冲击力是沙粒起动的重要动力。把冲击力的沙粒的最小起跳速称 之为“临界起动风速”。拜格诺发现，在跃移运动中，有的沙粒起跳角度和速度较 大，在气流中的运动轨迹也较长，而另有部分跃移颗粒则起跳角度和速度很小，因而，在气流中的运动轨迹很短。他认为，蠕移运动和跃移运动之间没有明显的 界限，是逐渐过度和转变的，也即是后来研究者称之为“振动”，在地表作蠕移运 动的沙粒并不受风的影响，它们的动能来自于跃移的冲击过程。拜格诺在解释天 然混和沙的流体起动值存在初始起动值是由于地表上存在暴露的风沙，而最终起 动值决定于沙床终含有的最粗颗粒，而且提出当沙粒粒径0.1mm 时，起跳速度 ∞ D的关系。拜格诺将普朗特和冯·卡曼通用速度分布方程应用于沙质床面近 地表气流的速度分布规律，提出了风速廓线方程，并且认为在风沙流中，风速廓 线服从对数分布，而且当平坦的沙漠的地表有流沙通过时，拜格诺给出了地面附 近的风速方程 [1] 。 Nash（1997）在研究地下水与风沙作用过程中指出，由于孔隙水的表面张力 作用，靠近潜水面附近的湿润沙粒粘合力增大，不易被风力吹移。贝利（1964） 证实：当沙子含水量大于 4％时，临界启动摩擦速度将加大。董治宝（2001）建 立了启动风速与含水量的关系式 [2] 。派伊（Pye）指出，由于盐分的胶结作用， 沙子中极少的盐分也可以极大地增加起动风速。贺大梁等（1988）所作的风洞实 验也表明，只有在沙的含水率小于 1％时，沙粒才能起动，当含水率大于 1％， 风总是先吹干沙粒，然后再使沙粒移动 [3] 。 王训明（1995）指出，天然沙的起动风速与下垫面的组成因素，如沙物质粒 度和矿物成分、地面高度、植被覆盖度等有关，并提出经验公式 [4] 。董治宝通过 风洞实验模拟，给出了均匀沙和非均匀沙的起动风速的表达式 [5] 。邹学勇等也提 出了起跳角与降落角的关系，并给出了相应的数学表达式，同时还给出了沙粒的 最大跃移高度的数学表达式 [6] 。 凌裕泉（1980）的动态摄影实验及对相关理论的研究指出：沙粒的起跃原因 主要为斜面飞升与床面碰撞相结合的结果 [7] 。Bisal 和 Nielson（1962）用双目望 远镜观察浅盘中的颗粒起动，发现颗粒从振动中直接脱离地表而起飞的现象。 Owen 假定所有跃移粒子都以相同的速度沿铅垂方向起跃，首次提出了气相切应 力（指总切应力中气体分担的部分），粒子切应力（指沙粒分担的切应力部分） 和动力学粗糙度等重要概念 [8] 。 上世纪 80 年代后期 Jensen 和 Sorensen 得出了起跃粒子数与所能到达的最大 高度之间满足指数衰减的规律。 凌裕泉和吴正（1980）通过大量的照片判读结果，发现起跳角以 30°~50°最 多，降落角保持在 10°~30°之间 [9] 。 Rumpel（1985）运用马尔可夫过程研究颗粒碰撞的过程，认为碰撞角严格 小于 15°，并相应得出了最大跃移高度和起跃角的分布。Mitha、Tran、Werner 和 Haff（1986）用钢球代替石英沙研究了“沙粒”的起跳