风沙在防风网遮护区的跃移运动可视化观测

论文摘要

自然界的风沙侵蚀涉及到土壤、沙尘以及其它细小粒子受风力作用而引起的离散、运输和再次沉降的过程,它可看作是一类特殊的气-固二相流问题。风沙侵蚀引发了土壤退化、荒漠化和沙尘暴等严重的环境问题。防风网作为一种开孔墙式结构主要用来降低风蚀扬尘对环境的危害。本文以防风网抑制沙粒跃移运动的微观过程为考察对象,分别对防风网周围的流场特性和跃移沙粒运动规律进行了系统地实验观测,考察了防风网对跃移沙粒的遮护效果。首先,本文使用流场可视化测速（PIV）系统,对防风网周围区域的流场结构进行了可视化测量,测定了平均风速、涡量分布、湍流度、湍动能以及雷诺应力等参数的变化分布情况,详细阐述了防风网对气流强度和湍流结构的影响作用。其次,使用高速相机拍摄了跃移沙粒穿过防风网过程的连续图像,并且通过粒子追踪测速技术（PTV）对沙粒的跃移过程进行了量化。其中,进一步改进了粒子识别技术,消除了噪音信息对运动矢量算法的影响,实现了跃移沙粒穿过防风网模型时的瞬态空间分布以及飞行速度探测。实验获得了跃移沙粒的平均速度、粒子浓度场、传输通量、降尘率以及跃移动能的分布。通过与无网情况对比,考察了防风网的对跃移风沙流传输结构的影响,并且提出了跃移沙粒在防风网附近的传输率服从指数衰减规律。最后,本文建立了穿过防风网的跃移沙粒在背风区域的运动轨迹,获取了网后粒-床碰撞过程的主要参数,包括沙粒的入射速度、入射角度、动量恢复系数和能量恢复系数。通过对比分析,论述了防风网对风沙跃移运动的粒-床撞击过程的影响。研究发现,防风网增加了跃移沙粒与沙床表面的撞击角度,致使沙粒的回弹动量减小,大部分跃移动能被沙床自身吸收。研究发现,防风网能够有效地降低风沙流的跃移动能,增加跃移沙粒在网后粒-床撞击过程中的能量损耗,从而减小遮护区域的风沙浓度并且抑制跃移运动的进一步发展。此外,本研究改进了风沙跃移实验的观测精度,完善了沙粒跃移可视化技术。本文的研究成果为理解防风网抑制风沙跃移发展提供了参考数据,对防风网的抑沙工程具有重要的指导意义。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 1 绪论
• 1.1 概述
• 1.2 风沙跃移研究现状
• 1.2.1 风沙起动机理
• 1.2.2 跃移输沙率
• 1.2.3 粒-床碰撞特性
• 1.3 防风网研究现状
• 1.4 本文的主要工作
• 2 实验原理与方法
• 2.1 大气边界层模拟
• 2.1.1 边界层特性
• 2.1.2 风洞模拟与测试
• 2.1.3 模拟结果
• 2.2 可视化测量原理
• 2.2.1 PIV
• 2.2.2 PTV
• 2.3 模型与沙粒选取
• 2.3.1 防风网模型
• 2.3.2 实验沙粒
• 2.3.3 模型布置
• 2.4 实验仪器布设
• 2.4.1 防风网的流场测量
• 2.4.2 沙粒跃移运动测量
• 2.5 本章小结
• 3 防风网的流场特性
• 3.1 瞬态风速
• 3.2 平均风速
• 3.2.1 风速矢量分布
• 3.2.2 风速水平分量
• 3.2.2 风速竖向分量
• 3.3 湍流结构
• 3.3.1 涡量分布
• 3.3.2 湍流度
• 3.3.3 剪切雷诺应力
• 3.3.4 湍动能
• 3.4 本章小结
• 4 防风网对跃移风沙流的影响
• 4.1 沙粒探测过程
• 4.2 沙粒跃移速度
• 4.3 沙粒跃移浓度
• 4.4 跃移传输率与动能分布
• 4.5 本章小结
• 5 防风网对粒-床碰撞的影响
• 5.1 网后沙粒跃移轨迹
• 5.2 网后粒-床碰撞的沙粒入射特征
• 5.2.1 沙粒入射参数统计
• 5.2.2 入射粒子的分布规律
• 5.2.3 入射角度与速度之间的关系
• 5.3 网后粒-床碰撞的沙粒反弹特征
• 5.4 本章小结
• 结论
• 参考文献
• 攻读博士学位期间发表学术论文情况
• 创新点摘要
• 致谢
• 作者简介