（固体力学专业论文）风沙跃移运动的粒床随机碰撞数值模拟研究.pdf

兰州大学博士学位论文 摘要 本论文针对风沙流中混合沙粒床碰撞开展直接数值模拟研究首先利用随机方法生成接 近自然分布规律的沙床面，进而结合离散单元法( d e m ) 建立了粒一床碰撞数值模拟系统 在此基础上研究了混合沙粒床碰撞的起珧特征，并且提出一套统计方法对碰撞结果进行统计 处理从而进一步分析了平床面上粒径尺度对粒一床碰撞起跳特征的影响，给出各粒径尺寸下 的入射与起跳物理量之问的关系最后将平床面碰撞模拟系统推广到倾斜床面，讨论了床面倾 斜对粒一床碰撞特征的影响，给出了同时包含粒径尺度和床面倾角参数的粒一床碰撞规律主 要工作如下： 1 、考虑到天然沙漠沙粒径分布具有一定规律这一特点，本文提出了近似自然床面的生成方法， 建立了基于混合粒径平床面的粒一床碰撞二维离散动力学( d e m ) 模拟系统 2 由于粒一床碰撞具有高度的随机性，我们提出了一套统计方法对结果进行处理探讨了床 面颗粒数，样本空问大小和碰撞位置等情况下统计结果的稳定性，找到了使其稳定的参数 区间 3 在上述建立的模拟程序和统计方法基础上，我们针对多粒径，多速度，多角度入射，采用 大样本进行碰撞模拟研究表明，模拟结果与已有单一粒径结果差别明显，混合粒径模拟 结果与实验数据更为吻合，得出应以随机混合粒径床面的碰撞规律为基础进行风沙流和沙 波纹的模拟有力的证明了进行多粒径粒一床碰撞模拟实验研究的必要性 4 、在混合粒床相互作用模拟基础上，对粒一床碰撞过程中不同粒径粒子的运动行为进行了深 入细致的研究首次发现并提出粒子的起跳特征与粒径的依赖关系，给出了包含粒径参数 的入射与起跳关系，模拟结果与实验结果吻合良好 5 ，由于沙漠表面是起伏不平且呈近似周期性的波纹分布，我们沿一个波纹不同点处取其切平 面，生成具有不同坡度的倾斜床面实施粒一床碰撞模拟实验，从而研究波纹表面不同位置 处的起跳特征的异同研究发现，波纹不同位置处的起跳规律具有较大的差异，随着坡度 的变化，某些重要的起跳物理量具有明显的变化规律本文首次系统的给出了各起跳物理 量与入射速度入射粒径和波纹倾角的变化关系 关键词：风沙运动；混合粒径；粒一床碰撞；离散单元法( d e m ) ；统计方法；床面倾角 兰州大学博士学位论文a b s t r a c t a b s t r a c t t h i st h e s i sf o c u s e so nt h ek e yp r o b l e mi nt h ew i n db l o w n - s a n d 打卸s p 0 坞t h es a n d p a r t i c l e b e dc o l l i s i o n f i r s t l y , a2 dm i x e ds a n db e di sp r e p a r e db ys t o c h a s t i cm e t h o da n dt h e d i r e c tn u m e r i c a ls i m u l a t i o np r o g r a mi sc r e a t e db a s e do ud i s c r e t ee l e m e n tm e t h o d ( d e m ) a n dt h e nw ei n s i g h tt h eg r a i n - b e dc o l l i s i o no nf l a tm i x e ds i z eb e du s i n gt h i sp r o g r a ma n dd e a l w i t ht h er e s u l t sb yas t a t i s t i ca p p r o h s e c o n d l y , t h ee f f e c to fp a r t i c l es i z e so ng r a i n - b e d i m p a c ti sd i s c u s s e d ，m e a n w h i l et h er e l a t i o n s h i pb e t w e e ni n c i d e n ta n dl i f t - o f fq u a n t i t i e sf o r d i f f e r e n tp a r t i c l es i z ea r ep r e s e n t e d f i n a l l y , w ee x t e n do u rp r o g r a mt od i f f e r e n ts l o p et o e s t i m a t et h ee f f e c to fs l o p ea n g l eo ng r a i n - b e di m p a c t t h er e l a t i o n s h i p so fi n c i d e n ta n d l i r - o f f q u a n t i t i e sp r o p o s e db yt h i st h e s i s ，i n c l u d i n gi m p a c ts p e e d ，i m p a c tg r a i ns i z ea n ds l o p e a n g l e ，w i l lb es i g n i f i c a n tf o rw i n d b l o w ns a n dt r a n s p o r ta n ds a n dr i p p l es i m u l a t i o n t h em a i n w o r k sa l ec o n c l u d e da sf o l l o w s ： 1 c o n s i d e r i n gt h ep r o b a b i l i t yd e m i t yf u n c t i o n ( p d f ) o fn a t u r a ls a n dp a r t i c l es i z eh a s u n i m o d a ld i s t r i b u t i o n ，t h i st h e s i sp r e s e n t so n ea p p r o a c ht op r o p a g a t i o na na p p r o x i m a t e n a t u r a ls a n db e du s e dt ot a r g e tb e d m o r e o v e r , ap r o g r a mc o d ei sc r e a t e db a s e do n d i s c r e t ee l e m e n tm e t h o d ( d e m ) o rp a r t i c l e d y n a m i cm e t h o d ( p d m ) i nt w o d i m e n s i o n a lt or e a l i z et h em i x e ds i z eg r a i n - b e di m p a c tp r o c e s s 2 d u et og r a i n - b e di n t e r a c t i o n sa r es t o c h a s t i cp r o c e s s e s ，w ep r o p o s eas t a t i s t i c a lm e t h o dt o d e a lw i t hr e s u l t s ，a n da l s of m dt h ea p p r o p r i a t ec o e f f i c i e n t so fs t e a d ys t a t ep r o g r a ma n d s t a t i s t i c a lm e t h o dw h e nt h en u m b e rc o n s i s t e do f s a n db e d n u m b e ro f s a m p l ea n di m p a c t p o i n t sv a r y 3 u s i n gt h eg r a i n - b e di m p a c tp r o g r a ma n ds t a t i s t i c a lm e t h o d , t oe a c hd i f f e r e n ti n c i d e n t p a r t i c l es i z e ，d i f f e r e n ti n c i d e n ts p e e da n da n g l eal o to f s a m p l e sw i l lb eu s e dt os i m u l a t e i m p a c t w ef i n dt h a tt h e r ea r ed i s t i n c td e v i a t i o n sb e t w e e nm i x e dg r a i ns i z ea n du n i f o r m g r a i ns i z es i m u l a t i o nr e s u l t s ，a n d t h er e s u l t so ft h i st h e s i sw e l l a g r e ew i t ht h e e x p e r i m e n t a ld a t ao f t b em u l t i p l es i z es a n dg r a i n s ，w h i c hs u g g e s t su st h a tt h es i m u l a t i o n s o f w i n d b l o w ns a l t a t i o na n ds a n dr i p p l es h o u l db eb a s e do no u rr e s u l t s i ti sa l s o j u s t i f i e d t h en e c e s s a r yt os t u d ym i x e dg r a i n - b e di m p a c l 4 b a s e do nt h es i m u l a t i o no nf i a tb e d , w ei n s i g h tt h ee f f e c to fp a r t i c l es i z eo nt h ei m p a c t p r o c 嚣s f o rt h ef i r s tt i m e , w eo g u et h er e l a t i o n s h i pb e t w e e np a r t i c l es i z ea n dr a n d o m p h y s i c a lq u a n t i t i e so fl i f t - o f fp a r t i c l e s t h e s es i m u l a t i o nr e s u l t sw e l lc o n s i s tw i t h m e a s u r e m e n t s 兰州大学博士学位论文 a b s t r a c t 5 t h ee f f o r t sh a v eb e e nd o n eo nt h ef i a tb e da r ep r e p a r e df o ru st 0d i s c u s st h eg r a i n - b e d i m p a c to nm o r en a t u r a ls a n db e d sw h i c ha l w a y sa r eu n d u l a t ei nf i e l dd e s e r t i no r d e rt o f i n dt h ee f f e c to fs l o p eo i ld i f f e r e n tl o c a t i o no fo r es a n dr i p p l e ，w es i m u l a t et h ei m p a c t p r o c e s s e s0 1 1as e r i e so fs l o p e s t h er e s u l t sd e m o n s t r a t et h a tt h er a n d o mp h y s i c a l q u a n t i t i e so fl i r - o f fp a r t i c l e so nd i f f e r e n ts l o ph a v em a r k e d l yd e v i a t i o n s s o m er a n d o m p h y s i c a lq u a n t i t i e sc h a n g er e g u l a r l yv a r y i n gw i t ht h ea n g l eo fs l o p e f o rt h ef i r s tt i m e t h i st h e s i sp r e s e n t st h er e l a t i o n s h i pb e t w e e l li n c i d e n ta ml i f t - o f fp h y s i c a lq u a n t i t i e so f p a r t i c l e se f f e c t e db yi n c i d e n ts p e e d , i n c i d e n tp a r t i c l es i z ea ms l o p ea n g l e k e yw o r d s ：w i n d b l o w ns a n d ；m i x e ds i z e ；c , r a i n - b e di m p a c t ；a e o l i a ns a n ds a l t a t i o n ；d i s c r e t e e l e m e n tm e t h o d ( d e m ) ；s t a t i s t i cm e t h o d ；s l o p ea n g l e 原创性声明 本人郑重声明：本人所呈交的学位论文，是在导师的指导下独立进行 研究所取得的成果。学位论文中凡引用他人已经发表或未发表的成果、 数据、观点等，均已明确注明出处。除文中已经注明引用的内容外，不 包含任何其他个人或集体己经发表或撰写过的科研成果。对本文的研究成 果做出重要贡献的个人和集体，均已在文中以明确方式标明。 本声明的法律责任由本人承担。 论文作者签名：娩日 关于学位论文使用授权的声明 本人在导师指导下所完成的论文及相关的职务作品，知识产权归属兰 州大学。本人完全了解兰州大学有关保存、使用学位论文的规定，同意学 校保存或向国家有关部门或机构送交论文的纸质版和电子版，允许论文被 查阅和借阅；本人授权兰州大学可以将本学位论文的全部或部分内容编入 有关数据库进行检索，可以采用任何复制手段保存和汇编本学位论文。本 人离校后发表、使用学位论文或与该论文直接相关的学术论文或成果时， 第一署名单位仍然为兰州大学。 保密论文在解密后应遵守此规定。 一：越名：降纠 兰州大学博士学位论文第一章绪论 第一章绪论 大量沙粒、土壤颗粒在风力驱动下以群体运动的形式所导致的后果早已成为全球共同关注 的重大环境问题之一【i _ q 沙尘暴( 大气流动与地面沙床相互作用而形成的突发性强烈风沙运 动，是强风从地面卷起大量沙尘，使能见度极度恶化的灾害性天气嘲) 肆虐全球，土地沙化( 大 量沙粒、沙尘粒子以及土壤颗粒在风力驱动下随风移动，使得原非沙漠地区出现以风沙活动为 主要标志的类似沙漠景观的环境变化以及原系沙漠地区环境条件的强化与扩张过程旧) 愈演愈 烈、民房被掩埋和长时间悬浮粒子对人类健康以及生产生活的危害和影响无所不在。遏制沙漠 化的发展和防止土地沙漠化已经成为一个重要和迫切需要解决的研究课题。 1 1 研究背景及意义 沙漠化是一个全球性的问题，根据联合国防治沙漠化公约，1 9 9 8 年全球有1 0 0 个国家，9 亿人口受到沙漠化的影响，预计这一数字到2 0 2 5 年将会翻一番。全球陆地面积的2 5 都存 在一定程度的沙漠化现象，每年约有4 1 5 ，0 0 0k m 2 农业土地部分或全部丧失生产能力川每年 全球因沙漠化造成的收入损失据估计高达4 2 0 亿美元m 】。2 0 0 6 年世界环境日聚焦“沙漠和荒漠 化”，为全人类敲响风沙灾害的警钟 9 1i 我国北方地区干早的地理环境远在晚白垩早第三纪时既已初步形成，其后经历喜马拉雅山 造山运动和青藏高原的隆起，干旱程度进一步加剧，逐步形成现有的地理环境【l q 。沙漠、戈壁 和沙漠化土地面积约为1 6 5 3 万o n 2 ，占全国陆地面积的1 7 3 左右；其中由于不合理的人 类活动导致的现代沙漠化土地为3 7 万k m 2 。近半个世纪以来，不断增长的人口与不顾后果的 开发，自然生态环境遭到严重破坏，更加剧了土地沙化的速度；耕地、草场、林地、村镇被流 沙不断蚕食，良田变沙漠；大批的。生态难民”背井离乡，土地丧失生产能力，经济损失惨重。 据调查2 0 世纪9 0 年代以来我国土地沙化速度为平均每年2 4 6 0 k m 2 j ，受其影响的人口达到 5 0 0 0 余万人，约占全世界受沙漠化影响人口的5 6 ；有近4 0 ，0 0 0 k m 2 的早农田和5 0 ，0 0 0 k m 2 的 草场受至不同程度的影响【1 1 1 沙漠日益蔓延、土地不断沙化、沙尘暴渐趋频繁( 2 0 0 0 年发生 1 2 次；2 0 0 1 年仅1 至4 月就出现了9 次【1 ：2 0 0 6 年发生1 8 次1 9 1 ) 。对我国北方乃至更大范围 地区的工、农业与人民生活造成了很大影响，对我国可持续发展构成了严重威胁。 这些有害的风沙活动，不仅对气候环境产生不良影响，更威胁到人类的生产、生活以至生 存，危及后世l 不仅引起了我国政府的高度重视，也吸引了全球众多科研工作者对其展开广泛 深入的研究，以期通过不断了解风沙运动基本规律和机理，达到对风沙灾害进行有效预报和合 兰州大学博士学位论文 第一章绪论 理防治的目的。 风沙灾害历史悠远，真正引起人们广泛关注并对其进行研究是在上个世纪三十年代，起因 于美国西部严重的土地沙化现象【1 3 】。这一研究领域传统上被称为风沙物理学【1 4 l ，是一门包括地 学、力学、大气等学科的以揭示沙粒在风载作用下运动规律的交叉边缘学科，涉及流固耦合、 非均质、非线性、跨尺度、多场耦合等复杂问题。早期的科学家，如：b a g n o l d 、z i n g g 、c h e p i l 等，多关注于风沙运动的微观研究【1 ”l ，即针对风沙流中单颗沙粒的运动状态，通过分析沙粒 的受力，研究沙粒的起跃机理和沙粒在空中的运动状态及其变化规律，为风沙运动的研究奠定 了基础，到上世纪七十年代，学者们的目光逐渐转向宏观研究 2 s a l ，这是由于土地沙化面积的 急速扩张，使得人们开始对风沙流整体结构进行研究，包括风沙层内气流速度沿高度的分布( 即 风速廓线) 、沙粒平均速度、输沙率以及沙粒浓度等宏观物理量。 目前，人们对于风沙运动的基本过程按其离开地面的程度进行了分类：( 1 ) 在地表滚动的 沙粒蠕移( c r e e p ) 运动；( 2 ) 在近地层风沙流内沙粒离开地面的跃移( s a l t a t i o n ) 运动；( 3 ) 在高空 中尘埃的悬移( s u s p e n s i o n ) 运动，包括长期悬移( 1 0 n g - t e r ms u s p e n s i o n ) 和短期悬移( s h o r t - t e r m s u s p e n s i o n ) 。处于跃移和悬移之间的运动状态通常被定义为修正跃移( m o d i f i e ds a l t a t i o n ) 1 4 9 1 。沙 粒的不同运动形式如下图1 i 4 所示： 躅1 1 4 风沙流中沙粒的不同运动形式示 ( s l , a j 4 9 j ) 自上世纪4 0 年代以来。以b a g n o l d 为代表的大批杰出学者开始对风沙运动进行研究，从 最初的定性观测，逐步发展到定量的理论g , 0 - 5 7 和实验“_ 5 “1 1 研究，尤其是作为风沙运动最 主要形式的跃移运动，受到了特别的关注。研究发现这一过程直接导致沙波纹、沙丘形成。并 且是沙丘移动、沙漠扩大的主要因素 3 2 , s 0 6 2 - 6 5 1 。为了深入准确的了解这一过程，人们进行了大 量的风洞实验观测研究 5 s - 6 “。但是，由于沙粒太小，风沙流内颗粒密度大，尤其接近沙床表面 处，颗粒运动信息几乎不可能通过实验手段获得。1 9 8 5 年丹麦的a a r h u s 会议后，风沙物理学 兰州大学博士学位论文第一章绪论 研究重点逐渐转入了跃移运动的微观机理研究i l ”。通过受力分析建立起风沙运动的动力学模 型，再经过选取适当参数，对风沙流结构、风成地貌、输沙率等进行模拟研究。近年来，中国 学者郑晓静、周又和等人对风沙运动中的一些基础性问题开展了广泛深入的研究l ”，并取得 了重要进展【1 1 ：通过对风沙流浓度分布的预测，他们发现其规律并不是简单的随高度指数衰减， 而是呈现分层结构，这一结果很可能会对“沙割”现象给出合理解释；与此同时，沙粒带 电以及所形成的风沙电场会影响风沙流的发展过程也被发现【 “，并首次给出了风沙电场的理 论预测哗l 和沙粒起跳旋转角速度的概率分布”7 - 7 s l ；除此以外他们还成功模拟出与实际情况非常 一致的沙波纹的主要形态和形成以及移动过程1 1 9 1 。这些研究对人们更为全面地认识风沙跃移运 动的基本规律是非常关键的。 风沙跃移运动的研究途径主要分为两类：实验研究和理论研究 ( 一) 实验研究主要分为风洞实验和野外观测。通过判读高速摄影照片上的沙粒运动轨 迹，来研究风沙流中沙粒的运动速度、起跃速度、起跃角度以及起跃沙粒数等微观信息；应用 集沙仪、风速仪等测量输沙率、风速廓线等宏观物理量，以求了解粒一床碰撞、风沙流结构、 起跃初速度分布等风沙物理学特征 s o - l ，进而掌握风沙流的运动机理 ( 二) 理论研究着眼于风沙跃移运动的四个子过程【l o l 4 3 7 1 ：( 1 ) 风吹沙的启动过程；( 2 ) 沙粒在风中的运动过程；( 3 ) 考虑运动沙粒对风的作用而引起风速廓线的修正；( 4 ) 跃移运动 沙粒落回床面，与床面其他粒子碰撞、反弹和溅射过程风沙流中沙粒是运动主体，风是动力 条件，运动中两者相互影响，各个子过程相互耦合，将上述各个子过程割裂开来建立的理论模 型无疑将是“失真”的。然而，由于风沙系统的复杂性，要同时建模研究包括以上4 个子过程 的完整风沙流系统几乎是不可能的。因此，要模拟宏观风沙流发展( 如输沙率、风速廓线和床 面起沙率等宏观物理量) 2 9 , 3 2 , ”峨”“”1 、风沙地貌等( 如沙波纹、沙丘、沙山及它们之间相 互嵌套而成的风沙地貌的形成过程) 1 7 9 , 圩删需要一个关键因素，就是入射与起跳之问的关系， 它是连接单个沙粒微观运动与风沙流宏观运动的桥梁，而构筑这一桥梁的关键在于对粒一床碰 撞过程的了解，即上述第四个子过程。例如：a n d e r s o n a n d h a f t ( 1 9 8 8 、1 9 9 1 ) 【”- 5 2 、m c e w a n ( 1 9 9 1 、 1 9 9 2 、1 9 9 3 ) p “1 等人基于w i l l e t t s ( 1 9 8 6 ) 8 5 - s 6 1 、w e m e r ( 1 9 8 6 ，1 9 8 7 ，1 9 8 8 ) 【5 蝴、r u m p l e ( 1 9 8 5 ) 1 0 4 1 、 a n d e r s o n h a f t ( 1 9 9 1 ，1 9 9 3 ) 陋”等人粒一床碰撞实验和数值模拟得到的入射与起跳之间的关 系结果，模拟了风沙流跃移云的发展规律，给出了跃移趋稳过程、输沙率随时问变化、质量通 量、风速廓线等宏观物理量；1 9 9 2 年f o r r e s ta n di h 一”以及1 9 9 3 年a n d e r s o na n db o u n a s ”9 1 分别利用元胞自动机方法在以上粒一床碰撞规律基础上分别模拟出一个粒径和两个粒径下的 沙波纹，所采用的粒一床碰撞规律是从平床面上得到的，并没有讨论波纹表面不同倾角位置处 的碰撞规律的异同。w i l l e t t sa n dr i c 2 ( 1 9 8 9 ) ”q 在不同倾斜床面上进行的粒一床碰撞实验发现床 面倾角对碰撞规律具有明显的影响。 综上所述，粒一床碰撞过程的研究是了解宏观风沙流运动和沙波纹形成机理的基础，也是 建立连接沙粒微观运动与风沙流宏观运动之间联系纽带的核心研究工作。 兰j 大学博士学位论文 第章绪论 1 2 国内外研究现状概述 粒一床碰撞过程研究作为风沙物理学研究的基础，于2 0 世纪中叶b a g n o l d 和c h e p i l 就对 其重要性进行了阐述，使得人们对粒一床碰撞有了基本的感性认识1 4 - 1 5 , 1 4 5 。并粗略介绍了沙粒 与床面碰撞后沙粒的起跃特性( 包括起跃速度、起跃角度) 随着风沙物理学的发展，人们对 粒一床碰撞过程进行了更为深入的研究，包括实验和理论两方面。 1 2 1 针对粒一床碰撞的实验研究 根据实验对象，我们将其分为两类，一类是采用非沙质颗粒，另一类为天然沙粒( 密度大 约为2 5 9 c m 4 ，粒径在0 1 1 0 m m 之问) 。 一、采用非沙质颗粒进行的实验研究： 由于实验设备的限制，为了克服自然沙粒细小导致的实验不易操作，而且观测设备不足以 清楚的探测粒一床碰撞过程等困难，许多实验采用了具有较大粒径的非石英沙质材料的球型或 圆盘粒子，期望借助替代的粒一床碰撞过程来比拟真实的天然沙粒一床碰撞。具有代表性的研 究工作是1 9 7 7 年w h i t ea n ds c h u l t z 用每秒1 0 0 0 2 0 0 0 张的高速摄影仪( h i g h s p e e dm o t i o n p i c t u r e s ) 在野外风洞中拍摄了玻璃微珠的粒一床相互作用过程i s 3 。其中床面粒子的粒径为 3 5 0 7 1 0 “m 、密度为2 5 9 e m 4 、床面粒子的排布为图1 2 1 所示的平床面( f l a tb e d ) 、观察点 在床面以上o 5 o 7 5m m ，并用光束照亮实验区域。应用v a n g u a r dm o t i o na n a l y s t 设备 | 、飞 盛晒戳强熬啜麟一 弛“。唧篙饿麓慧：氅黼刍。嚣：赫b 机脚 ；“4 4 “m e m m m “h “ 图i 2 - 1w h i t ea n d s c h u l t z ( 1 9 7 7 ) t o 采用玻璃徽珠进行粒一床碰撞实验时的碰撞示意图 读取照片上面的颗粒运动信息。实验发现平均入射角度为1 3 9 口，在b a g n o l d 的建议范围 l o o 一1 6 。之内“i 、平均入射速度为1 6 m s 、平均起跳角度大约为4 9 9 0 ，实验并没有给出起跳 与入射之间的关系。由于粒一床碰撞发生在沙床表面，在风洞中这一部分的沙粒浓度很高，不 兰州大学博士学位论文第一章绪论 易观测，也不易在照片上识别，虽然如此，该实验仍然为探索粒一床碰撞特征提供了无可替代 的参考。 1 0 年之后，m i t h a 等人于1 9 8 6 年用单一粒径4 m m 、密度为7 9 9 c m 4 的钢珠代替石英沙 进行粒一床碰撞实验嘲用一个可调角度的、带有特殊枪管的气枪( 可以放钢珠) ，将钢珠射 到用6 0 ，0 0 0 个同样的钢珠铺成的平床上，同时用频闪观测仪( s t r o b o s c o p e ) 拍摄整个碰撞过程。 摄影镜头置于床面以上略高的地方，入射角度从1 7o 到3 1o ，入射速度为2 1 2 4 6 m s 。实验 发现被碰粒子也称目标粒子会被溅起，但其速度比冲击速度小的多；入射速度垂直分量与溅射 粒子垂直分量没有很强的相关性；“沙粒”反弹后竖直方向上的速度与冲击速度竖直方向的分 量的比不超过1 ；每次入射大约有6 颗粒子被溅起，这一数字随入射速度增大而增加，但不依 赖于入射角；6 的高能入射沙粒会被床面捕获并且不受入射速度的影响，这一结论与 k o b a y a s h i ( 1 9 7 2 ) “l 和r u m p e l ( 1 9 8 5 ) 埘1 的假设一致，并在a n d e r s o na n dh a f t ( 1 9 8 8 。1 9 9 1 ) ”- 5 2 1 、 m c e w e na n dw i l l e t t s ( 1 9 9 1 ) p 2 】等人的跃移模拟中被采用，尤其在m c e w a na n dw i l l e t t s ( 1 9 9 1 ) 的模拟中认为它是建立颗粒输运平衡的重要参数。然而，针对这一概率任何高速摄影照片尚不 能提供更加准确的信息虽然实验中特殊气枪的采用使得入射粒子变得更加可控，与w h i t ea n d s c h u l t ( 1 9 7 7 ) i s 3 风洞实验相比有了很大的提高，粒一床碰撞过程因之比风洞中更加清晰可辨。 但是，由于入射颗粒的加速是采用在一个管子中吹气的方法，不容易对准沙床面，而且颗粒的 出射速度和角度仍然不容易控制，此外，管中的气流也有可能会对床面撞击产生影响。 为了更好的控制入射，并且避免沙枪中气流对粒一床碰撞的影响。2 0 0 0 年，f r a n c o i s 等人 对真空中的等粒径塑料圆盘碰撞应用c c d 摄像机( c c dv i d e oc a m f r a ) 和频闪观测仪 ( s 扛o b o s c o p e ) 相结合的方法进行研究【1 4 6 1 。其中粒子粒径为5 5 8 + o 0 4m m 、密度为 1 8 6 9 c m 4 ，如图1 2 2 ( a ) 所示，入射角度固定在5 3 0 ，入射速度在6 - - 2 2 m s 之间。粒子的 加速虽然仍通过空气的作用，但是从图中可以看到出口离床面较远，气流对碰撞的影响相对较 小。在c c d 摄像系统中，利用电子快门和可变光阑有机结合，在单片机控制下实现全自动调 光，不仅扩大了调光的动态范围，而且可有效地控制对运动目标摄像时产生的像移，其最大像 移控制在o 0 0 2 4 m m 这些方法在复杂的粒一床碰撞系统中的应用具有现实意义，将会有效避 免因颗粒运动产生的像移和光照产生的摄影误差。经研究发现冲击粒子的能量最多能传到第6 层粒子的厚度；被碰粒子向前溅起，而在碰撞点后面的粒子则向后溅起，被溅起的粒子数随着 冲击速度的增大而增加，冲击速度的垂直分量越大沙粒被溅起的越高。图1 2 - 2 ( b ) 给出了一 次粒一床碰撞过程的摄影照片。 兰州大学博士学位论文第一章绪论 i 墨o 2 聊列p i 黼o f i 触龀赫d 卿岫讧廿 遗毓缸l 糊妇o f 证降味 圈1 2 - 2 ( a ) f r a n c o i s2 0 0 0 1 蜘年塑辑圊盘粒一床碰撞实验设备及流程圈( b ) 该实验给出 的个典型粒一床碰撞的照片数据 上述针对非沙质材料的粒子进行的一系列粒一床碰撞实验虽然在一定程度上为更接近自 然的粒一床碰撞规律研究奠定了基础，但是，由于材料本身的差异使得此类实验可能存在以下 的缺陷：首先，材料性质的差异，比如摩擦系数、恢复系数、刚度系数等等。根据力学原理我 们知道，以上参数的不同所导致的碰撞结果也将是大相径庭的。其次，采用大小统一的粒子， 无论在粒子形状本身还是因之而产生的床面粒子挥布形式( 六边形紧密排列) 上都与自然存在 一定的差距；再次，自然沙粒径较小，空气的阻力对其影响较大，且作用方式也十分复杂，可 能会存在一个尺度效应的问题。另外，由于粒子密度、大小的差异，为了与真实沙粒入射速度 相比较，在实验甲不得不采用相似的手段加以处理。如m i t h a 等人在1 9 8 6 年的实验瞰1 中，针 对4 m m 钢珠入射速度为2 0 r i d s ，对应于0 2 r a m 的沙粒以4 5 m s 入射，这一相似理论和与之 类似的在其他非沙质实验中采用的诸多相似方法是否准确也有待进一步探讨。因此，用非沙质 材料替代真实的粒一床碰撞过程，其可比拟性值得怀疑。所以对自然沙开展粒一床碰撞研究是 十分必要的。 二、粒一床碰撞的实验研究 由于实验设备的改进，使得针对沙质颗粒的粒一床碰撞探索成为可能。于是，研究者们借 助精度更高的测量仪器，如高速摄影仪或频闪仪等，开始对粒径更小的自然沙粒的粒一床碰撞 过程进行研究。w e m e r ( 1 9 8 7 ，1 9 9 0 ) 利用一种特制的“沙枪”发射o 7 1 - - 0 8 5 r a m 的沙粒冲击床 面，用照相机( c a n o n a e - i ) 和频闪观测仪( 4 0 0 1 - i z ) 相结合的方法拍摄其起跃过程 5 3 , 6 , 8 4 】。 其中冲击速度在6 - 1 2 m s 之间、冲击角限制在9 1 3 。加速过程是通过气压使管子突然释放， 颗粒随着管子一起加速，然后管子在床面处突然停止，使颗粒射出，从而达到加速管中颗粒的 兰州大学博士学位论文第一章绪论 目的。这其中存在一个管子与基座间的摩擦问题，当速度大时可以忽略；但速度小时，就不应 忽略观测镜头略高于床面，发现沙粒的形状会影响动量的传递；斜坡可以减少水平动量的损 失，而使垂直方向动量急剧改变；起跳角的分布比反弹角的分布宽，起跳角分布在o 一1 8 0 ， 反弹角分布在0 。8 0 。尽管该实验为了解天然沙粒一床碰撞过程做出了有益的贡献，然而， 实验对粒径要求较大，导致实验沙粒的粒径已经超出跃移沙粒的粒径范围，而且冲击速度也超 过在跃移层内占主流的粒子的冲击速度，距离真实的粒一床碰撞过程还有一定的距离此外， 沙粒入射速度、角度的可控性问题仍然没有得到较好的解决。 w i l l e t t s 和r i c e ( 1 9 8 6 ) 用每秒约3 0 0 0 张的高速摄影仪( h i g h - s p e e dc i n e 圮a m c r a ) 拍摄了自 然沙床面的粒一床碰撞过程棒删实验采用筛选白天然沙漠沙的三段粒径( c o a r s e ：3 5 5 - 6 0 0 , m e d i u m ：2 5 0 - 3 5 5 ，f i n e ：1 5 0 2 5 0 【f m ) 粒子，其粒径分布如图1 2 3 ( a ) 所示，较w e m e r ( 1 9 8 7 ) ”! 实验有所改进的地方在于粒径更接近天然沙漠沙；实验中入射角度在9 一1 3 度之间，入射速度 为3 0 4 5 m s ，观测镜头略高于床面，如图1 2 - 3 ( b ) 所示，入射颗粒由s a n df e e d 控制。分别 分析了1 0 0 颗球形和扁平状沙粒碰撞床面后的结果。发现有4 - 1 0 颗粒子以入射速度的7 一1 5 、角度4 4 艮5 2 0 起跳；反弹角在1 6 3 0 - - 3 3 4 0 之间变化，反弹速度与入射速度的比值大约为5 4 一6 2 ；在碰撞过程中斜坡可以减少反弹粒子水平能量的损失，但将显著改变其垂直能量。 为了反映床面坡度对粒一床碰撞的影响，用同样的实验条件于1 9 8 9 年对4 个不同坡度，分别 是0 。、5 。、1 0 和1 5 。的床面进行了粒一床碰撞实验p q ，相对于床面变化，冲击速度和冲击角 度保持不变。实验发现沙粒起跃速度的垂向分量随着坡度的增加而增大；起跳沙粒数随坡度的 增大而增加；反弹和起跳特征对入射颗粒尺寸敏感；认为粒一床碰撞性质不受入射角度( 9 0 一 1 3 0 ) 的影响，与a n d e r s o na n dh a f t ( 1 9 8 8 ) s l l 的观点一致。实验朝着天然沙粒一床碰撞研究迈出 了一大步，但是对颗粒尺寸这一敏感参数仍然无法识别、入射颗粒状态仍无法得到较好的控制 j 铒1 d i “抽口咄槲o f 棚掣_ r “蚺础a n d 俑l l 坶1 1 1 7 啦矗 兰州大学博士学位论文 第一章绪论 罩韬 物目g 柑雌t 轴- 蚺“m 纳喃垮t 抑b 粕d j 砷，蝴讹“k ，：“埘j ， 图1 2 - 3 w i l l e t t s 和r i c e ( 1 9 8 6 , 1 9 8 9 ) d i , 9 5 4 6 实验中采用的( a ) 粒径分布( b ) 实验过程示意 圉 1 9 8 9 年a n d e r s o n 对粒一床碰撞研究进行了回顾【1 0 9 1 ，认为入射粒子有可能被床面捕获，与 m i t h a ”1 等人1 9 8 6 的实验观测一致。研究发现被捕获的概率随入射速度的增大而减小，但是 没有给出具体的数据和变化规律；反弹角大约在3 0 。5 0 ：反弹速度大约为冲击速度的5 0 到6 0 ；起跳沙粒数与冲击速度成线性关系，当冲击速度达到6 1 0 m l s 时，可溅起4 5 个 沙粒，且其速度方向比反弹角略大，其平均值大约为冲击速度的1 0 ；碰撞位置对沙粒的起 跃速度会产生影响。 为了得到更多更准确的粒一床碰撞信息，尤其是粒径信息，1 9 9 5 年r i c e ! ”】等人在w i l l e t t s & r i c e ( 1 9 8 9 ) 蚰】的实验基础上进行了一定的改进，将以往一直应用的黑白摄影仪换成彩色摄影 仪( 7 2 5 0 张x s ) ，并将分属粗沙( d = 4 2 5 , - , 6 0 0 p m ) 、中粗沙( d = 3 0 0 3 5 5 t m ) 和细沙 ( 1 3 = 1 5 0 - - 2 5 0 , u m ) 三个粒径范围的沙粒分别染成不同的颜色，从而有效的提高了沙粒信息在 摄影胶片上的分辨率。实验中他们分析了粗沙、中租沙以及细沙与床面的碰撞过程。发现当冲 击角度在1 0 - 1 5 度时，反弹和溅射性质几乎不受冲击角度的影响；反弹速度是入射速度的5 0 一6 0 ，溅射速度为冲击速度的7 9 ；反弹角度大约在2 0 - 4 5 度之间，溅射角度主要集中在 4 0 一6 0 度之间；溅射颗粒数大约为2 - 6 颗，随着入射粒径增大而增加。1 9 9 6 年r i c e 等人又对 以上三种粒径的沙丘沙，用高速电影胶片对粒一床碰撞进行了连续照相【印】，发现沙粒的反弹速 度是冲击速度的5 0 6 0 ，而起跳速度是冲击速度的8 ；反弹角随着沙粒粒径的减小面增 大，起跳角分布在o 1 8 0 。范围内，大多数在4 0 。6 0 。之间：认为一个完整的跃移模型 需要具备每个尺寸粒子的信息，尤其是粒径分布信息，这是预测混合跃移云和床面形态改变所 需要的。尽管在实验中测量和判读照片时仍然存在一定的误差。但这是第一例能够识别出不同 粒径粒子在粒一床碰撞中行为的实验，具有非常重要的意义。结果给出了不同尺寸粒子的入射 和起跳物理量，比以往的实验有了很大的提高。但是没有给出粒径对粒一床碰撞特征的影响誓 兰州大学博士学位论文第一章绪论 系，可能是因为粒径范围少、实验点不足等原因所致。即便如此，这些实验数据对于验证直接 数值模拟结果的正确性将起到至关重要的作用 不同于以上采用沙枪入射方式研究自然沙粒一床碰撞的另一种实验是在风洞中直接观测， 从而了解跃移粒子各入射和起跳物理量。1 9 9 3 年n a l p a n i s 等人在风洞中用多图像摄影技术 ( m u l t i p l e - i m a g ep h o t o g r a p h s ) 观测均值为0 11 8 r a m 和0 1 8 8 r a m 的平沙床上的粒一床碰撞过程 闱发现平均溅射角度大约为3 0 0 。1 9 9 6 年c n e e l e y 等人用每秒3 0 0 0 5 0 0 0 张的高速摄影仪 拍摄风洞中距床面2c 册的沙粒轨迹【“，研究粒一床碰撞过程发现5 9 的沙粒速度小于 1 5 m s ，速度超过4 o m s 的沙粒数小于3 2 0 0 1 年，邹学勇等人利用4 0 0 砌l 鼬的高 速频闪仪( h i g h - s p e e dm u l t i f l a s hp h 酿谬印h y ) 在野外风洞中拍摄粒径为0 2 5g r i m 的跃移沙粒轨 迹i 州，镜头只能探测床面o 5 c m 以上粒子的运动信息。讨论了跃移层粒子的动能沿高度的分布。 认为这是在风沙输运研究领域同速度分布同样重要的另一参数，是衡量风沙灾害程度的最重要 指标，但是目前为止仍然研究的很少。这类风洞实验研究由于入射粒子更加不可控，而且由于 跃移层，尤其是床面附近的粒子浓度高，粒一床碰撞过程难以捕获，更加难以识别。因此，很 难给出准确的粒一床碰撞规律，但是它所提供的粒子入射和起跳的速度、角度数据可以为人为 控制的粒一床碰撞实验和理论模拟提供非常重要的参考 总之，在粒一床碰撞实验中，尽管实验设备从过去的普通照相机f “琏“，1 ，发展到后来的高 速摄影仪、频闪仪 5 5 , 5 。“s o , 1 1 3 , s s - s 6 1 ，粒子从床面起跳时的状态信息仍然需要通过照片数据反算 粒子的起跳状态即使目前最先进的测量技术和设备，比如激光全息多谱勒测速仪“。魍1 卅 ( l a s e r d o p p l e r a n e m o m e l r y , 简称