论文摘要
土地沙漠化是当今人类面临的全球性重大环境问题之一。风作用于沙质地表产生土壤风蚀、风沙流、风沙沉积和沙丘前移等一系列地质地貌。地表颗粒运动是土地沙漠化的根本原因，是产生沙害的主要原因。研究多因素驱动下风沙颗粒起动的动态演化规律，对揭示沙粒的起动形式、力学机制有着重要意义，为防治土地沙漠化和治沙固沙提供理论依据。本论文得到受国家自然科学基金（NO.40975094）和国家重点基础研究规划项目资助（NO.2006CB403701）的联合资助。实验运用环境风洞建立风沙流模拟实验系统，对自然界中的风沙现象进行室内风沙两相流模拟。通过图像采集系统对沙粒相的运动进行高速摄像，获得清晰、直观的沙粒瞬时运动图像。继而使用Motion Studio图像处理软件和MATLAB数据平台进行图像人工识别与后期数据处理，获得沙粒整个运动过程的起动形式、运动轨迹及各时刻速度、加速度等瞬时运动参数。最后对所得参数进行分析，得到沙粒起动形式并推测其起动机制。在实验方法和数据处理方面，本文的创新点在于：(1)运用激光光源加透镜组形成的片光作为拍摄光源，有效地解决了以往研究中因光强度不足造成的图像清晰度低的问题。(2)运用微距CCD镜头对近沙面位置进行拍摄，得到沙粒在床面附近运动的清晰图像，有效地解决以往研究中因高速摄影技术限制，无法精确拍摄近床面位置沙粒运动的问题，为研究近沙面位置沙粒运动提供数据支持，弥补了以往对近沙面沙粒运动研究的不足。(3)在实验数据处理中，主要采用图像人工识别加后期数据处理的方法。其中，图像人工识别可有效的解决传统图像处理技术对粒子浓度较高的图像数据进行处理时，所产生的沙粒运动轨迹缺失、粒子匹配错误等问题。运用图像人工识别加后期数据处理的方法有着“灵活性”与“模糊性”两方面的优势。通过对风沙两相流沙粒起动的实验数据进行处理，获得沙粒整个运动过程的运动轨迹、各时刻速度、加速度等瞬时运动参数信息。结合现有理论对实验图片进行分析，追踪并还原沙粒的运动轨迹。经统计，可得如下结论：(1)风沙两相流中，沙粒的主要起动形式为冲击起动；(2)风沙两相流中，沙粒的运动轨迹符合二次函数，呈抛物线形式；(3)风沙两相流中，沙粒起动主要受到湍流的作用，实质在于动量的传递。