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文档简介

沙粒荷质比的风洞实验测量 沙尘环景中的风沙电场对风沙流的形成变化以及输沙强弱和微波信号传输都有直接显著的影响,而对于沙尘暴中沙粒荷质比变化的测量时探究风沙电场成因和发展规律的重要基础。沙粒带电影响程度与沙粒的带电量极性以及带电量大小相关,而沙粒如何带电、带电量大小如何计算等是风沙电研究中的基础科学问题。本文针对不同风速、不同高度下的实时沙粒荷质比进行测量和统计。沙尘环境中的风沙电场对风沙流的形成发展以及输沙强度和微波信号传输都有直接显著的影响, 而对于沙尘暴中沙粒荷质比变化的测量是探究风沙电场成因和发展规律的重要基础目前, 没有适合于对风沙环境中沙粒荷质比进行有效实时和准确测量的专用测量仪是导致至今缺乏对沙尘环境中沙粒荷质比变化进行系统观测和对其规律进行全面揭示的瓶颈。本研究基于对国内外市场的反复调研和文献分析以及对现有针对电子荷质比测量技术的深入分析, 并借鉴已有较成熟的电荷测量方法, 提出了一套适用于沙尘环境, 能够对沙粒荷质比进行时空多点实时同步测量的解决方案本研究遵循理论分析一数值模拟一仪器研制一实验测试相结合的研究路线, 并运用力学、物理学、电子学等多学科的知识实现学科交叉, 解决了电荷微小变化量和质量微小变化量的高精度测量、提高沙尘复杂环境下仪器的抗干扰能力、多点长时间实时同步测量以及测量数据的准确、实时的有效转换等关键科学问题本研究最终自主研制出适用于沙尘环境中工作的沙粒荷质比实时测量系统有效解决沙尘环境中空间多点沙粒荷质比无法实时定量测量的问题, 并寄此给出沙尘环境中沙粒荷质比时空变化的定量规律本研究研制的测量仪器还有可能用于由于粉尘浓度较高的环境中的空间电荷的测量, 以预警由于静电累积过多引起放电从而引发的粉尘爆炸事故。 风沙流中带电沙粒的运动形成风沙电场,带电沙粒的运动影响风沙流中的临界摩阻风速以及单宽输沙率等重要物理量,因此沙粒带电现象一直以来得到广泛的关注。当前风沙流中对沙粒带电的测量方面侧重沙粒平均荷质比定量研究,对于荷质比的统计规律来说,雄颗沙粒带电量是统计规律的基础。因此解决沙粒之间接触带电的机理、理论建模、实验测量以及理论预测等这些基础物理问题,对揭示风沙流中风沙电的研究具有重要的意义。1.1研究背景风沙电现象是风沙颗粒系统(如尘卷、沙尘暴以及跃移风沙流)的一种自然现象,如图1-1所示,Shinbrotetal.通过实验发现在干旱环境下沙粒带电可以导致自发的自组织行为进而产生地貌形态,如火星沙脊的形成。在20世纪末21世纪初美国宇航局(NASA)制定的火星登陆计划中为防止探测仪器遭静电干扰,考虑了火星上的风沙电效应。此外,当沙粒表面带电量超过大气击穿所需的临界值时,此时就会发生放电现象,放电现象有可能伴随着化学反应等丨长期以来风沙电对人类生活和自然环境造成的诸多影响,由此引发了众多学者的对风沙起电性质、起源、机理及其影响的关注和研究。大小以及沙粒带电后影响等基本问题。风沙屯的重点研究对象是宏观尺度的电场和电荷空间分布的基本规律,而这一研究又是基于众多微观物理系统,包括流场结构,起沙机制,粒床碰撞,空中碰撞,沙粒带电机制,空中运动轨迹,以及沙粒与风场、电场的反馈作用等各个微观系统的研究为了描述风沙流中的风沙电现象,需要知道沙粒荷质比这一基础物理量。Schmidt et 在野外试验中测量所得的沙粒荷质比为+66/01通过风洞实验发现颗粒电极性的临界粒径为60/mi,即大于6Qurn时颗粒带正电、小于6Qmn时带负电。“大颗粒带iF电,小颗粒带负电”这一规律是形成垂直地面向上的风沙电场的基础。风沙电场形成的机理一般可以解释为:风沙运动中,大颗粒带正屯、小颗粒带负电,带负电的小颗粒在拖曳力、重力和电场力作用下远离地面而发生悬移风沙流中沙粒带电机理和实验研究运动,而带正屯大颗粒则是贴近地面的跃移和螺移运动,不同电极性颗粒的运动使得电荷分离,形成垂直地面向上的风沙电场,如沙尘暴、风沙流以及尘卷中的电场虽然实验观测到自然界中风沙电现象,且电场方向垂直地面向上的机理可以通过“大颗粒带JH电、小颗粒带负电”这一规律得以解释,但是沙粒之间接触为什么会带电、为什么“大颗粒带正电、小颗粒带负电”等这些基础问题的研究仍处于初级阶段。综上所述,风沙电现象是风沙流中的一种自然现象,最基本的科学问题是沙粒带电的机理和带电量实验研究,在此基础上可进一步地研究风沙流中的内部电场结构以及电荷分布特征,因此精确的带电机理及其理论模型的建立、精细实验仪器的设计和实验测量就显得尤为关键。同时,在风沙流发展过程的数值模拟中,粒床碰撞过程时沙粒带电量的预测、风沙流中荷质比沿高度的分布规律的统计以及多场稱合情况下考虑风沙电时的单宽输沙率公式的预测等等,这些研究是最为基础和亟待解决的,具有重要的应用价值。1.2研究现状1.2.1沙粒带电机制和实验研究1.2.1.1沙粒带电的实验研究颗粒带电量及其电极性的研究是风沙电现象的一个基础物理问题,众多学者展开了包括了空间电荷密度、荷质比以及带电极性等物理量的实验观测。Rudgel72首先开展了粉尘颗粒的带电极性研究,如图1-5所示,通过采用喷气设备将沙粒吹过砂纸带,发现在室温下纸带正电而沙粒带负电。如将气体温度升高,则沙粒和纸带的带电荷量都有明显增加。Kunkd73l对石英颗粒流进行了定量的电荷测量研究,如图1-6所示,研究对象0.530/mi的颗粒物质,实验观测发现所有颗粒物质均带电,带正电的颗粒数目与带负电的颗粒数目相差不多,几乎相等,且充分摩擦后几乎没有电中性的石英颗粒。Forward et al5】研发了一种单孔颗粒流测量装置,用于测量研究颗粒-颗粒之间相互摩擦后颗粒的带电极性,如图1-7所示。气体由下方入口进入,这样便可实现颗粒与颗粒之间的相互摩擦,进而有效地避免了颗粒与壁面的摩擦。颗粒和颗粒之间经过充分摩擦后(经过120 min的流动后,达到平衡通过位于粒床上面23 mm的加载电ffi(8kV;)的铜板收集带电颗粒,如图所示,当给铜板加正电压时便可吸附床面带负电的颗粒,相反加负电压时的可吸附床面带正电的颗粒。图1-8中Forward etalJ5。】对于火星模拟物颗粒的相互摩擦实验表明,大颗粒趋向于正电、小颗粒趋向于负电这一规律。Sow et al.丨用上述装置测量了沙尘暴过境后地面沙粒的电极性,结果如图1-9所示,(a)图为前后两场沙尘暴的间歇期的实验结果;(b)图是沙尘暴过境后的瞬间的实验结果;(c)沙尘暴过境12小时后的观测结果。在沙尘暴间歇期内,带正电荷带负电的沙粒粒径分布没有明显的差别。沙尘暴过境后的瞬间测量结果表明小颗粒趋向于正电,而大颗粒趋向于负电。这个规律在沙尘暴过境12小时后还是很明显的,但是幅度明显减弱,这应该是12小时内电荷的中和作用导致的,因为绝缘体表面电荷可以保留10小时左右175,761。Sow et 的野外沙尘暴测tt结果表明“大颗粒带负电,小颗粒带正电”的规律,这与传统的风沙颗粒系统屮女验观测以及理论预测的“大颗粒带正电,小颗粒带负电”刚好相反。Sow et 认为这种规律与已有的实验结果不符合的原因是由于无法检测极细颗粒(=20/mi)的带电量导致的,因为极细颗粒有可能是带负电的。确实,Fuerstenau and Wilsonl34通过PCS设备(PCS,即Particle charge spectrometer,当颗粒穿过一个作为法拉第筒的管状电极时通过感应测量电荷,同时通过光学原理测量颗粒粒径)测量细小粉尘的带电量以及带电极性时,发现大部分的细小颗粒(粒径=50#m)带负电,这也是符合Sow et al.的推测的小颗粒带负电。值得注意的是这里有关“大颗粒带正电、小颗粒带负电的结论主要是基于对沙粒平均带电极性的统计平均分析,迄今为止仍然缺乏颗粒与颗粒之间单次碰撞带电的带电极性分析。Freier在1960年首次观测到一个尘卷电场,认为尘卷中由于带正电和带负电的颗粒上下分离形成了偶极子,且认为高度21.4m处偶极子的平均强度为5.67xl0_4 C nii4】。Crozieri5_后测量了 New Mexico地区的一个尘卷中电场并推算此高度处的偶极子浓度为的5.7kg1。随后,黄宁和郑晓静丨3。】、屈建军I32】和张鸿发等人相继开展了风洞实验中的荷质比研究,尤其是黄宁和郑晓静开展了比较系统的荷质比研究,如荷质比随高度、风速以及粒径的变化规律实验研究。黄宁和郑晓静风洞测量结果表明在同一风速下,所测得的沙粒荷质比随高度增高而减小,各高度测得的荷质比又会随风速增加均增加。这主要是由于风沙流中的沙粒平均粒径和浓度,在同一风速情况下,会随高度的增加而减小,而在同一高度处又会随风速的增大而增大的缘故。当然,这一解释也主要基于大沙粒和小沙粒接触或碰撞后带对同量Hi荷的假设II4,221。其风洞测量结果还显示在来流风速增大到20ni_s-i时近地表附近风沙流中的沙粒荷质比为正,这与野外测量结果有些类似。这也是因为风速增大导致大沙粒起跳进入跃移层的机会增加。风沙流中沙粒荷质比随风速和高度变化的这一规律不仅对于“均匀沙”,即:粒径分布在某一相对窄小范围内的沙样,而且对于混合沙,即粒径分布较宽的自然沙,均是如此,只是测得的后者的荷质比要比前者大得多,这可能是因为lIj于电荷偏析(charge segregation)与颗粒的粒径差有关丨93】。在风沙流中,Greeleyand Leach I6)和Zheng et al.丨3通过风洞实验发现大沙粒正趋向于正电,小沙粒趋向于负电,且存在一个临界粒径,即当颗粒粒径大于这一临界值时带正电,小于时则带负电。Greeley and Leach I6】通过实验发现沙粒电荷极性的临界值为60 fim-,而Zheng et 则发现这一临界粒径值为250/m。另外,表1-2中值得一提的是Fuerstenau and Wilson67的单颗沙粒带电量的野外实验测量结果。Fuerstenau and Wilson34】的如图1-11所示,可以看出大部分的细小沙粒带负电,且带电量范围很广3000e-6000e,这样荷质比范围-3.5xl073.8kg1,这与野外沙粒荷质比的测量结果量级一致。2-11(a)2-11(b)本章主要基于相关实验给出了颗粒带电量的实验测量,主要包括三个方面的内容:毫米量级Si02玻璃颗粒-毫米量级Si02玻璃颗粒之间的单次碰撞中被冲击颗粒带电量的测量;毫米量级Si02玻璃颗粒-Si02玻璃平板之间的单次碰撞中Si02玻璃平板的带电量的测量;野外以及风洞实验中沙粒荷质比随风速以及沿高度的分布。Si02玻璃颗粒-毫米量级SiCh玻璃颗粒之间的牟次碰撞中被冲击颗粒带屯量的实验结果表明被冲击颗粒的净电荷量与冲击颗粒粒径和冲击速度有关。当被冲击颗粒半径和冲击速度一定时,随着冲击半径的增加被冲击颗粒的净电荷量先增加后减小;当冲击颗粒和被冲击颗粒的半径一定时,被冲击颗粒的净电荷量随着冲击速度的增加也是先增加后减小。毫米量级Si02玻璃颗粒-Si02玻璃Y?板之间的单次碰撞中,SiO.玻璃平板的带电量的测量结果表明,当冲击颗粒半径一定时,Si02玻璃平板的带电量的屯荷量随着冲击速度的增加而增加,这与实验结果的规律是一致的。本文测量了野外实验和风洞实验两种情况下的沙粒荷质比,野外测量结果表风沙流中沙粒带电机理和实验研究明沙粒荷质比分布范围较广,最小值可高达-478 OkgS风洞实验结果表明沙粒荷质比随着高度先增加后减小、随着风速增加而减小,最大值可高达-200与本文野外实验测量结果量级一致。第三章 风沙电场起电现象分析3.1 风沙起电的电场强度图2是混合沙随风速变化产生电场强度的曲线图,图中是在915(m/s)风速下测的电场数据,图中的每点是测的多个数据的平均值。由图可知,混合沙被风吹起的过程中形成的电场强度随风速增大而增强,且都趋于负极性。这一结果说明,风吹起的混合沙产生的电场随风速的增强而增大。在自然界中由于自然沙尘暴的风速将远超于实验的风速,所以将会形成更强的电场,对现代通讯、网络造成极大的干扰。 3.2风沙起电的沙粒荷质比 实验采用了三种不同高度来搜集沙粒,由于采集的沙粒质量和电荷较小可能存在一定的误差,但从图上大致可以看到混合沙随风速的改变导致其荷质比的变化。由图可知,混合沙的荷质比随风速的增加而逐渐减小;再同种风速下,混合沙的荷质比随高度的增加而增大,由于测的沙粒的电荷都呈负极性,说明吹进集沙管中的小沙粒较多,高度越高单位质量所携带的电量的大小越大,进而可以说明在风沙起电过程中,飘在上空的沙粒容易形成较强的电场。第四章 结论 根据此次实验结果可以得到如下结论: (1) 风沙电场的强度随风速的增加而增强,且趋于负极性。 (2) 风沙电场中的沙粒荷质比随风速的增加而逐渐减小,同种风速下,沙粒的荷质比随高度的增加而增大。 (3) 风沙电场中,在风动力起沙中处于上方的沙粒多为小沙粒且电荷量随高度的增加而增大,容易形成较强的电场。第五章 研究局限及展望5.1 研究局限5.1.1 关于验证性因素分析的研究有待进一步深入由于实验仪器有限本实验未对不同粒径下形成的电场进行实验测量。未能研究实时风速、搜集点远近、电场仪高度等因素与风沙电场的风洞实验测量的影响程度及相互之间是否存在关联,未能探究潜在变量与观测变量之间的关联性。5.1.

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