莫高窟石窟床面风特性实验研究

莫高窟石窟床面风特性实验研究

风速随着高度的变化而变化，称为风速梯度，它决定了表面物质的风强度。光滑地表,即地面无粗糙元存在的条件下,风速随高度变化遵循对数规律,而当地表存在粗糙元时,粗糙元破坏了地面之上一定高度内的对数规律。研究地表粗糙性质对边界层气流的影响是长期以来存在的一大难题。地表粗糙性质对边界层气流影响的研究应该将边界层划分为两部分来考虑,粗糙元高度以下的粗糙亚层与其以上的惯性亚层。当植被存在于地表时,以植被高度为界,大气边界层同样划分为粗糙亚层与惯性亚层两部分。董治宝等通过研究植被对风沙土风蚀的影响得出,粗糙亚层风速梯度随植被特征变化十分杂乱,而惯性亚层风速梯度随植被层特征变化则表现出一定的规律性。与植被一样,砾石也是天然地表粗糙元。粗矮粗糙元等覆盖床面的气流仅有近壁区-尾涡区和内边界层两层。近年来,关于砾石粗糙元覆盖地表(天然或人工戈壁)的研究主要集中于砾石床面空气动力学特征参数、风速廓线、风沙流结构、蚀积量变化规律等[7,8,9,10,11,12,13]。然而,砾石床面风速梯度随砾石覆盖度或砾石间距高度比的变化规律的研究却鲜见报道。另外,砾石能够减弱风对地表的作用力,消耗地表风动量来降低可蚀床面的剪切力从而抑制风蚀[14,15,16,17,18,19]。风是沙子运动的动力因素,砾石抑制风蚀可以从砾石对边界层气流的抑制即阻风效应来反映,但砾石床面阻风效应随高度的变化即阻风效应梯度的研究却很少。本研究试图通过野外风洞实验来研究砾石覆盖度、砾石间距高度比对砾石床面风速梯度的影响,并确定砾石阻风最优覆盖度与砾石间距高度比,从而对砾石防沙工程铺设提供一定的理论指导。1岩石床面风速廓线与自由风速实验2地表起伏度和空气动力学粗糙度砾石床面的砾石通过增加地表起伏度来增加气/床界面上气流与固体的接触面积,从而增加空气动力学粗糙度,使地表对气流的阻力增大来减小风速。地表起伏度可以用砾石覆盖度来表征且易于测量,因此,可以改变砾石覆盖度来研究不同覆盖度砾石床面对气流的阻碍作用。砾石覆盖度(C)的定义:C=SB/S,其中SB为砾石底部总面积,S为洞底总面积。2.1砾石覆盖质和摩阻风速地面无砾石存在的光滑地表,风速随高度变化遵循对数规律,而当地表存在砾石时,砾石破坏了地面之上一定高度内的对数规律。由图2可以看出,在2.2cm,约砾石平均高度以下,风速梯度随砾石盖度增加变化比较杂乱,而在2.2cm高度之上,风速梯度随盖度增加呈现出有规律的变化:5%～35%风速逐渐减小,40%～80%风速趋于稳定,35%风速最小。据此,由于砾石的存在,大气边界层可明显分为两层,约以砾石平均高度为界,下层定义为粗糙亚层,上层定义为惯性亚层。粗糙亚层气流受砾石单体的影响强烈,风速变化复杂。惯性亚层气流主要受制于整个砾石床面的特征,风速梯度随砾石覆盖度的变化呈现有规律的变化。摩阻风速是风速梯度的一种量度,也就是流速对高度对数值的递增率。按照方程式u∗=τρ√u*=τρ,摩阻风速又是衡量流体作用于床面上的阻力τ的一个尺度,方程式中ρ为流体的密度。速度沿高程的变化在空气内引起切应力,并且把切应力传递到地面成为表面阻力。在惯性亚层中,风速随高度的变化是遵循对数规律的。通过对惯性亚层摩阻风速的计算,其随覆盖度的变化如图3。可以看出,当砾石覆盖度达到35%时摩阻风速基本达到最大值,其后摩阻风速趋于稳定,即风速梯度不再随覆盖度变化而变化。因此,惯性亚层风速梯度变化规律是一致的。然而,在粗糙亚层,砾石间尾流相互作用,甚至出现涡流,使风速随高度变化不遵循对数规律,风速梯度随盖度增加变化比较杂乱。2.2不同粒径砾石的总剪切力砾石覆盖度受砾石粒径、形状影响,而同种粒径砾石其间距与覆盖度有直接的对应关系,砾石间距与高度比D/H描述了单位高度砾石的间距,是描述砾石床面性质的特征参数之一。不同间距砾石床面风速梯度随砾石间距高度比D/H的变化见图4。结果显示,粗糙亚层风速梯度变化较杂乱,而惯性亚层风速梯度变化规律一致,惯性亚层风速在D/H值0.3～1.5段趋于稳定,2.0～4.0段风速逐渐增大,1.5处风速最小。因此,防沙工程上该粒径的砾石阻风效应最优时D/H值为1.5,最优间距为3cm。Marshall通过对不同形状、密度和分布形式的粗糙元床面总剪切压与其分解的研究得出,当D/H约为5～6时,风对地表的总剪切力约等于粗糙元上的剪切力。此时,新增加的砾石所产生的阻力系数趋于零,砾石间的裸露地表完全处于砾石的保护下,其对气流不产生任何阻力。其D/H值5～6与本研究得出的0.3～1.5差别较大,这可能与粗糙元形状,特别是粗糙元宽度与高度比对粗糙度的影响有关。2.3不同高度风速对抗风效应梯度的影响惯性亚层风速在盖度35%时达到最小值,40%～80%风速趋于稳定,因此,砾石床面阻风效应的大小可以通过从覆盖度5%到35%风速减小的值来表示,不同高度风速减小值不同即砾石床面阻风效应梯度不同。通过对边界层内不同高度下覆盖度5%到35%砾石床面的阻风效应大小的计算,结果表明,阻风作用随高度增大先增加后减小,粗糙亚层阻风作用随高度增加逐渐增大,惯性亚层砾石阻风作用逐渐减小,在砾石床面表面附近阻风作用最强(0.75H～1.1H),其图形形状与砾石床面的输沙廓线图特别相似(图5)。3覆盖度对岩石床面阻风行为的影响随高度变化的规律2.根据对不同覆盖度砾石床面风速梯度变化规律的实验研究,可以得出以下结论:1)以床面砾石平均高度为界,根据风速梯度随砾石覆盖度变化的不同特征将大气边界层分为两层,约以砾石平均高度为界,砾石平均高度以下定义为粗糙亚层,以上定义为惯性亚层。粗糙亚层风速梯度随砾石覆盖度的变化比较杂乱,惯性亚层风速梯度随覆盖度增加呈现出有规律的变化,从覆盖度5%到35%风速逐渐减小,40%～80%趋于稳定,35%最小。粗糙亚层风速梯度随D/H值的变化同样比较杂乱;惯性亚层风速梯度随D/H值增加变化规律一致:风速在D/H值0.3～1.5段趋于稳定,2.0～4.0段风速逐渐增大,1.5处风速最小。2)粗糙亚层阻风作用随高度增大而增大,惯性亚层阻风作用随高度增大而减小,砾石床面表面附近(0.75H～1.1H)阻风作用最强。该粒径砾石阻风效应最优D/H值为1.5,最优间距为3cm。3)对