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1、灌丛沙堆表面压力分布特征的实验研究摘 要: 风成沙丘表面压力分布特征直接反映沙丘表面风蚀风积特点,因而是研究沙丘表面地貌过程的重要依据。依据风沙运动实验相似性理论,以新疆和田河流域实测柽柳沙堆为基础,按一定比例缩小制作成四组模型,选用起沙风速区间在6~14m/s的5组不同风速分别对四组模型在风洞中作纯气流表面压力的模拟实验。结果表明,无植物覆盖的半球形沙堆和圆锥形沙堆的表面压力分布特征存在着较大差异,其中半球形沙堆迎风坡下部有较明显反射涡流,丘顶存在高压剪切气流区域,圆锥形沙堆则不存在这种风压变化,此外半球形和圆锥形沙堆两翼的高低压风蚀区域分布特点也不一致。人工“植物”引发的沙堆丘
2、顶和背风坡区域表面风压的显著变化有利于截留沙尘、保护沙堆免受风蚀并促进沙堆增长。关键词: 人工植被 灌丛沙堆 风洞实验 表面压力灌丛沙堆是干旱地区沙漠、半干旱半湿润沙地和沙质海岸带常见的一种生物风积地貌类型〔1,2〕。代写论文多数学者认为植被盖度、风力强度和沙子供应量三个主要因素控制着灌丛沙堆的形成演化过程〔3-10〕。Hesp等〔11〕曾经推断草丛沙丘附近的流场结构,朱震达等〔12,13〕在风洞实验中模拟了灌丛沙堆流沙模型的形态演化过程。但是限于灌丛沙堆形成因素的复杂性,迄今为止,对灌丛沙堆形成演化的动力学机制知之甚少。由于传统的模拟二维流场只能反映沿气流方向沙丘纵断面上的气流运
3、行状况,并未反映出沙堆表面风压变化规律,如果把两者观测模拟结合起来可望在三维流场结构分析中深入研究气流作用于沙丘表面的动力过程。本文基于新疆和田河流域风沙地貌野外考察资料,在完成纯气流流场风洞模拟基础上,拟进一步通过风洞模拟实验,查明无植物“沙堆”和有植物“沙堆”模型的表面压力分布特征,这对深入阐明灌丛沙堆表面在风沙流作用下的风积、风蚀机制具有重要意义。1 风洞实验1.1 风洞基本参数和实验相似理论本项风洞模拟实验在中国科学院沙漠与沙漠化重点实验室沙坡头沙漠试验研究站土壤风蚀风洞中进行。该风洞是一座直流闭口吹气式低速风洞,实验段长21m,实验段截面1.2m×1.2m,最大风速30m
4、/s。风洞整个实验段(包括出口扩压段)有1°的仰角。风洞底由7块活动合金铝板组成,可装可拆,以便扩大模拟实验的范围。气温和当前大气压以键盘输入计算机,实现风压适时自动采集。实验的风压采集周期为2s,采集时长为60s,最终用于分析的风压是60s时段内采集结果的平均值。风洞模拟实验的可靠性,决定于实验条件与野外实际情况的相似程度。风沙过程模拟实验涉及的变量较多,但是根据风沙运动实验相似理论第一定理,表征现象的一切变量,在时间各对应瞬间和空间各对应点上,互成一定的比例关系,相似现象必然发生在几何相似的对象里,即边界上几何特性相似。相似第二定理特别指出包括几何、物理、边界和起始条件的相似。
5、简言之,要使模型实验与自然现象完全相似,必须满足几何相似、运动相似和动力相似三个基本条件〔10,14〕。本项模拟实验尽可能遵循风沙运动实验相似理论,模拟实验过程中选择沙堆模型形态、选取观测高度、调整实验段风速时尽可能接近野外实际状况,最大限度地保证实验结果直接外推到任何尺寸、任何风速下的沙堆原型,而不必经过换算。1.2 实验模型基本形态选择本项实验所用模型以新疆和田河流域野外测量得到的柽柳灌丛沙堆尺寸为原型,按一定比例缩小制作成模型进行风洞模拟实验。代写毕业论文从野外实测统计数据来看,和田河流域独立分布的灌丛沙堆几何形态大体可以近似地划分为半球形沙堆和圆锥形沙堆两类,多数沙堆迎风坡
6、长度略小于背风坡长度。其中,半球形灌丛沙堆的平均高度为4.74m,底座平均直径为12.73m;如果忽略迎风坡与背风坡坡长的差别,可考虑将灌丛沙堆的风洞实验模型按40∶1的比例尺缩小制作成底座直径(D1)为32cm,高度(H1)为12cm的近似半球形木制模型。同理,由于圆锥形灌丛沙堆的实际平均高度为5.1m,底座平均直径为11.95m,忽略坡长的差别可将灌丛沙堆按照40∶1的比例尺制成底座直径(D2)为30cm,高(H2)为13cm的圆锥形木制模型。1.3 模拟实验过程设计从灌丛沙堆的形成演化过程来看主要分为两个阶段,即生长阶段(植物生长发育)和衰亡阶段(植物衰败消亡)。因此,本项实
7、验分别设计无植物的半球形沙堆和圆锥形沙堆,以及有人工“植物”的半球形沙堆和圆锥形沙堆四组模型进行表面压力的测定。实验所用半球形沙堆模型和圆锥形沙堆模型是按照上述比例,用整块树桩加工而成的空心体。沙堆模型顶部的人工“植物”为高度(h)10cm,冠幅10cm×10cm,采用胶固定在模型的顶部,本项模拟实验中暂时忽略“植物”高度、盖度、疏密度等因素变化。表面压力测点在每个模型表面分别按8个方位进行均匀布设(将模型分为A、B、C、……H八个区),每个方位5个测点,再加1个顶点
