风沙运动研究中的若干关键力学问题

针对沙漠化（严重时导致沙尘暴发生）这一国家关注的重大环境的问题,在简要介绍风沙运动力学机理研究的主要发展阶段和部分最新研究进展的基础上,提出了风沙运动研究中值得关注的若干关键力学问题。     

风沙运动的沙粒带电机理及其影响的研究进展

土壤风蚀以及沙尘暴是人类面临的重大自然环境灾害之一,它直接关系着人类的生存环境和生活质量.许多国家和政府以及科学家们对此一直十分关注并开展了大量研究.由于大气和地表条件的多样性以及地表沙粒的运动与风场作用的相互耦合,导致风沙运动问题研究的复杂性.除此之外,伴随着对风沙运动机理的研究和对沙尘暴的观测,人们发现在风沙跃移运动和沙尘暴中的沙粒带有电荷并形成风沙电场.沙粒的运动不仅导致沙粒带电和风沙电场形成,而且也直接受到沙粒带电和风沙电场的影响.为了弄清风沙电的起因以及揭示其影响规律,研究人员对此进行了野外观测、实验室测量和理论推测等.本文将就这一问题重点介绍有关风沙运动中沙粒带电的机理、风沙电场分布规律、沙粒带电对风沙运动的微宏观物理量以及沙尘暴中沙粒带电对电磁波散射的影响等方面的实验和理论研究的基本概况和进展以及作者等人在此方面的研究工作.主要包含内容有:沙粒带电及其电场的基本实验测量,粒带电对风沙运动的影响,沙尘暴对电磁波衰减的影响研究以及有关风沙起电的机理研究等.同时,对这一研究领域中目前关注与存在的主要问题给予评述.图6参81      

力学与沙尘暴

沙尘暴是近年来广受关注的环境问题之一,不仅是大气、地学等相关学科研究的重要内容之一,也因为其中有许多基础科学的共性问题,特别是力学问题,而得到其他学科的关注.本书的目的是通过对沙尘暴及其相关问题的介绍,揭示其与力学之间的联系,指出这些力学问题的解决对于力学学科本身发展所将起到的带动作用.全书共包括25个章节,分别涉及风沙流形成与发展的微观机理、沙尘暴的测量与预报、风沙电现象及其对电磁波的影响、风沙地貌、防沙治沙工程等多个方面.     

MULTIPLE TIME SCALES OF AEOLIAN AND FLUVIAL PROCESSES AND DEPTH-AVERAGED INTEGRAL MODELLING

针对风沙与水沙动力学研究的共性,提出风沙与水沙运动统一深度积分模式;在此基础上,将水沙运动过程多重时间尺度理论扩展至风沙运动,比较研究风沙与水沙运动向平衡状态调整的时间尺度特征. 数值算例与风洞实验结果对比表明,积分平均模型能够基本准确地捕捉风沙运动的输沙率变化等基本特征;风沙与水沙运动的积分时间尺度比较分析表明,风沙运动与水沙运动类似,推移质运动能够很快地调整到平衡状态,而悬移质运动调整到平衡状态则需要相对较长的过程,在湍流悬移质实验和数值模拟研究中应考虑恢复平衡过程的影响.     

风沙运动的研究进展和发展趋势

对风沙运动的研究给出较为全面、系统的总结和介绍，对现有的各种理论模型进行对比和评介，并提出了自己的观点。最后，对风沙运动研究的发展趋势作了展望和预测。     

走钢丝的力学分析

 在高空中走钢丝，是一项高技巧、高风险的运动. 针对走钢丝者手中 长杆的作用，通过动量守恒、动力学基本方程、质心运动定理等力学原理，分析了走钢丝的 力学机理，得出了走钢丝者手中长杆的转动与其重心位置之间的关系.     

山坡风化表层碎石爬行机理研究

山坡风化表层碎石爬行运动是存在于自然界、受多种环境因素影响的一种地表缓慢地质变形现象。本文在介绍有关现场试验测量方法的基础上,通过对测量数据和实地观察结果的分析研究,初步描述了这一自然现象的运动机理和存在的运动形式,并提出了对这一自然现象进行可能的力学、数学模拟研究的初步设想和尝试。     

NUMERICAL SIMULATION OF WIND-BLOWN SAND MOVEMENT BASED ON SPH

运用光滑粒子流体动力学(smoothed particles hydrodynamics, SPH)方法对沙粒和气流的相互耦合运动特性进行了分析,研究提出了风沙流的SPH数值方法并进行了数值模拟. 首先提出了风沙流的SPH建模方法和基本理论,建立了风沙流动的SPH数值模拟平台. 其次通过建立风沙流的SPH 模型并施加边界条件,对自然风作用下沙粒的运动情况进行了数值模拟,详细分析了沙粒运动轨迹及特性,最后通过与相关研究成果对比分析,验证了完善后的SPH方法有效性. 通过考虑气流场的可变性,在风沙流SPH计算模型中引入了加载(起风)和卸载(停风)方式,观察并对比分析了沙粒的运动轨迹和特性. 为进一步研究风沙流的实时动态非线性行为提供了SPH理论基础和数值分析方法.     

流体的旋涡相关

本文讨论了不可压无粘性流体旋涡运动的力学特点,旋涡间相关的力学特点及其相互作用的机理和旋涡相互融合的条件也进行了论述。对一些文献中的实验结果作了理论上的说明。     

沙丘背风侧不同铁路结构形式对风沙环境的适应性分析

当铁路穿越大风沙漠地区时,风沙灾害会对铁路工程及其正常运营产生严重威胁,而设计一种合理的铁路结构形式能够减小风沙沉积对铁路工程的危害.在本文中,以敦煌至格尔木铁路沙山沟段落为研究对象,采用多相流的方法对越过沙丘的风沙运动过程进行数值模拟,分别讨论了风沙运动对位于沙丘背风坡的铁路路基工程和桥梁工程的影响.主要的模拟结果显示:路基工程明显降低了风速并且将沙丘后的回流区分成了两部分,而桥梁工程的导流效应则压缩了沙丘背风坡的回流区;轨道间的道碴增大了铁路表面的粗糙度,在轨道间有少量沙粒沉积,而路基工程两侧则有大量积沙;铁路表面的积沙量与摩阻风速呈现出非线性关系,随着摩阻风速的增大,路基工程沙粒沉积的增加速度大于风蚀能力的增加速度,而桥梁工程则正好相反.在防止风沙危害铁路方面,设置桥梁工程明显优于路基工程.本研究为风沙运动对铁路工程的影响提供了理论支持,也为今后的铁路工程设计提供了新的思路与研究工具.     

毛乌素沙漠风积砂力学特性室内试验研究

在对毛乌素沙漠风积砂物理特性进行试验研究的基础上,通过室内击试验、压缩试验及三轴剪切试验,对毛乌素沙漠风积砂的力学特性进行了初步研究。结果表明:毛乌素沙漠风积砂击实特性与粉、黏性土有较大的差异,在干燥和最佳含水率状态下易于击实,击实曲线呈双峰形态; 压缩试验表明毛乌素沙漠风积砂一般属于低压缩性土,其压缩特性与试样初始密度、含水率、荷载级别及加载条件有关; 三轴剪切试验表明毛乌素沙漠风积砂抗剪强度指标受试样密度的影响较大,虽然含水率对抗剪强度指标有一定影响且具有一定规律性,但影响程度并不明显。本文相关成果为解决该区风积砂相关岩土工程问题和工程地质问题提供了可靠的试验依据。     

风沙颗粒运动的数字高速摄影图像的分割算法

为了深入理解多因素驱动下风沙颗粒起动的动态演化规律, 需要准确地获得沙质床面附近沙粒群起跳的方式、速度和运动轨迹. 以连续强激光源为照明的数字高速摄影技术是研究这类问题的有效手段, 但由于风沙运动的高速摄影图像具有运动沙粒和静止床面的对比度小、相邻两帧图像相似性小等特点, 原始图像叠加算法难以有效实现目标与背景的分割. 该文提出了基于相邻的风沙运动图像灰度差值变化原理的图像分割算法. 实例显示,只要选择合适的相邻图像灰度差值阈值和自适应二值化处理方法就能实现图像中运动沙粒与床面分割. 当起跳沙粒浓度较低情况下, 基于MATLAB平台的最小距离匹配的粒子追踪算法(PTV算法)能较为准确地恢复床面附近沙粒的运动轨迹.      

沙丘背风侧不同铁路结构形式对风沙环境的适应性分析

当铁路穿越大风沙漠地区时,风沙灾害会对铁路工程及其正常运营产生严重威胁,而设计一种合理的铁路结构形式能够减小风沙沉积对铁路工程的危害. 在本文中,以敦煌至格尔木铁路沙山沟段落为研究对象,采用多相流的方法对越过沙丘的风沙运动过程进行数值模拟,分别讨论了风沙运动对位于沙丘背风坡的铁路路基工程和桥梁工程的影响. 主要的模拟结果显示:路基工程明显降低了风速并且将沙丘后的回流区分成了两部分,而桥梁工程的导流效应则压缩了沙丘背风坡的回流区;轨道间的道碴增大了铁路表面的粗糙度,在轨道间有少量沙粒沉积,而路基工程两侧则有大量积沙;铁路表面的积沙量与摩阻风速呈现出非线性关系,随着摩阻风速的增大,路基工程沙粒沉积的增加速度大于风蚀能力的增加速度,而桥梁工程则正好相反. 在防止风沙危害铁路方面,设置桥梁工程明显优于路基工程. 本研究为风沙运动对铁路工程的影响提供了理论支持,也为今后的铁路工程设计提供了新的思路与研究工具.      

微生物矿化风沙土强度及孔隙特性的试验研究

风沙土广泛分布于沙漠地区,其颗粒细小均匀,粒间无粘聚力,易引起风蚀形成沙尘暴的尘源.自行设计实验室制备方法及工艺,通过微生物诱导碳酸钙矿化(microbial induced calcite precipitation,MICP)技术固化沙漠风沙土.分析MICP矿化砂土试样的强度特性,以及菌液浓度,岩土基质的孔隙率及颗粒级配对MICP矿化砂土强度的影响.试验结果表明,当砂土试样的矿化时间为7天,菌液浓度OD600值在0.5～0.8之间,经MICP矿化后的风沙土其无侧限抗压强度平均值为0.66 MPa,内摩擦角平均值为36°,对运用MICP技术矿化沙漠风沙土的可行性进行了试验验证.当岩土基质具有较大的孔隙率且级配良好时,MICP矿化过程更加充分,MICP矿化砂土试样呈现出更好的强度特性.进而,利用核磁共振技术分析MICP矿化前后砂土试样的孔隙特征,测试结果显示经MICP矿化作用后试样的孔隙发育良好,孔隙半径大多分布在30μm～50μm之间,半径为100μm的孔隙提供大部分孔隙体积,且矿化作用后较未矿化前砂土试样孔隙率减小约15%.     

不同钢轨材料的风沙冲蚀磨损与损伤行为研究

随着铁路的快速发展,风沙地区的铁路线路分布越来越广,在本文中采用气流喷砂式冲蚀试验机以天然混合沙对不同钢轨材料的风沙冲蚀磨损与损伤行为进行了研究. 结果表明:钢轨材料的冲蚀率随着冲蚀角度的增加先增加后减少;最大冲蚀率出现在30°~45°之间;抗风沙冲蚀磨损性能依次为热处理过共析钢轨>热处理U78CrV>热轧U71Mn>热处理U75V>热轧U75V;延性对热轧钢轨材料的抗冲蚀磨损性能的影响大于硬度,而硬度对热处理钢轨材料的影响大于延性,在线热处理可以提高U75V钢轨的抗冲蚀磨损性能;钢轨材料冲蚀损伤的主要特征为片屑、蚀坑、塑性流动及裂纹;钢轨材料在风沙冲蚀下展现出延性冲蚀模式,其材料去除机制主要为成片机制.      

Air cushion vehicles and soil erosion

The use of aerostatically supported vehicles is particularly interesting in agriculture, principally because the tractive effort required to pull implements may be reduced. Then the tractor used for driving can be lighter or its outer dimensions may be more appropriate to European land ownership structures.

This study verifies that the induced effects in the soil when repetitive passes of an ACV occur, do not include damage to the substrate by aeolian erosion. The main ACV characteristics influencing erosion are the speed of the air at the outlet under the skirt and the angle of incidence of the jet on the soil. The effect of the escaping air is in proportion to the square of its velocity. The angle of incidence must be chosen in relation to an equilibrium between induced erosion and operating height. The ACV with peripheral jet seems to be more appropriate when applied in agriculture. Soil resistance to erosion is a function of moisture content and of compaction. During the passage of an ACV, erosion happens in two phases. Initially, erosion is high, then the process reaches a certain level at which it remains stable. Having measured the extent of a major disadvantage of ACV's for work on agricultural land, i.e. the induced erosion, it appears that such equipment shows some promise for special conditions of use.     

THEORY OF NONFLUIDIZED GAS SOLIDS FLOW AND ITS APPLICATION

A theory of nonfluidized gas-solids flow, which combines the theory of multiphase flow with the mechanics of particulate media, was proposed on the basis of understanding that the particles contact each other, solids and gas are in movement, and the drag force on the particles caused by interstitial gas flow is similar to gravity force having the property of mass force. Then this theory was verified by experiments on vertical and inclined moving beds, and was applied to calculation and design of equipment and devices with moving beds, such as pneumatic moving bed transport,dipleg, V-value, L-valve, orifice flow, and arching prevention. It can be used to guide the design and operation of moving beds and fixed beds.     

Experimental and CFD investigation of flow behavior and sand erosion pattern in a horizontal pipe bend under annular flow

The internal erosion of pipelines in oil and gas storage and transportation engineering is highly risky. High gas velocity of annular flow entrained sand will cause damage to the pipelines, and may further result in thinning of the wall. If this damage lasts for a long time, it may cause pipeline leakage and cause huge economic losses and environmental problems. In this research, an experimental device for studying multiphase flow erosion is designed, including an erosion loop and an experimental elbow that can test the erosion rate. The annular flow state and pipe wall erosion morphology can also be tested by the device. The computational fluid dynamics (CFD) method is combined with the experiment to further study the annular flow erosion mechanism in the pipeline. The relationship between gas-liquid-solid distribution and erosion profile was studied. The results show that the most eroded region occurs between 22.5° and 45° in the axial angle direction and between 90° and 135° in the circumferential angle direction of the elbow. The pits and deep scratches form on the surface of the sample after the sand collision.     

冲蚀与气蚀复合磨损试验研究

通过改造MCF-30型冲蚀腐蚀试验机,建立了水、沙、气三相流冲蚀磨损试验装置;试验研究了水、沙混合流场中试样的磨损特征,通过扫描电子显微镜观测了三相流冲蚀磨损表面,并借助计算机模拟分析水、沙混合条件下产生气蚀破坏的条件.结果表明:合理的设计可以实现冲蚀与气蚀的复合磨损模拟试验;形成三相流共同作用下的冲蚀与气蚀复合磨损重要条件为介质中含有较多气体,并且在试样中有气泡溃灭.三相流磨损模拟试验与仿真为进一步开展三相流气蚀与冲蚀磨损研究奠定了基础.     

Finite element modelling of local scour below a pipeline under steady currents

Local scour has been identified as the main factor that causes failures of structures in offshore engineering. Numerous research efforts have been devoted to local scour around offshore pipelines in the past. In this paper, a finite element numerical model is established for simulating local scour below offshore pipelines in steady currents. The flow is simulated by solving the unsteady Reynolds-averaged Navier–Stokes equations with a standard k ? ? turbulent model closure. A sand slide scheme is proposed for the scour calculation, and bed load is considered in the proposed scour model. To account for changes in bed level, the moving mesh method is adopted to capture the water–sediment interface (bed), and the change of bed level is calculated by solving Exner–Polya equation. All the equations are discretised within the two-step Taylor–Galerkin algorithm in this paper. It is found that the sand slide model works well for the simulation of the scour, and the numerical results are shown to be in good agreement with the available experimental data.