基于風(fēng)洞試驗(yàn)的風(fēng)沙兩相流耦合流場(chǎng)特性

叢順　李正農(nóng)　宮博　黃斌　趙愛國(guó)

摘 要：風(fēng)沙兩相流結(jié)構(gòu)的理論與研究方法已趨于成熟，主要集中在風(fēng)沙物理運(yùn)動(dòng)本身和防風(fēng)固沙工程方面，然而，將風(fēng)沙運(yùn)動(dòng)現(xiàn)象及其對(duì)建筑結(jié)構(gòu)物的作用效應(yīng)相結(jié)合的研究還比較鮮見，繼續(xù)開展風(fēng)沙地區(qū)工程結(jié)構(gòu)的抗風(fēng)沙研究具有重要的現(xiàn)實(shí)與工程意義。通過風(fēng)沙風(fēng)洞試驗(yàn)，模擬了實(shí)際沙漠地貌下的風(fēng)場(chǎng)特征，重點(diǎn)通過風(fēng)洞頂部落沙研究了類似沙塵暴環(huán)境下的沙濃度、風(fēng)沙流速度廓線以及湍流強(qiáng)度隨高度的變化情況。通過控制相同風(fēng)速、變化不同輸沙率進(jìn)行落沙，以此形成多種不同類型的風(fēng)沙兩相流耦合流場(chǎng)，并與凈風(fēng)工況相比較。試驗(yàn)結(jié)果表明：沙濃度梯度分布與落沙孔數(shù)量、控制風(fēng)速以及高度均相關(guān);風(fēng)沙流場(chǎng)中沙顆粒的運(yùn)動(dòng)對(duì)風(fēng)速剖面有一定的削弱作用，對(duì)湍流強(qiáng)度卻有增強(qiáng)作用;風(fēng)場(chǎng)中沙質(zhì)量濃度沿高度方向的分布特征直接影響了各高度處風(fēng)速和湍流強(qiáng)度的大小，沙濃度越大的高度處對(duì)風(fēng)速的削弱程度越顯著，且對(duì)湍流強(qiáng)度的增強(qiáng)程度越大。

關(guān)鍵詞：風(fēng)沙兩相流;風(fēng)洞試驗(yàn);落沙;沙濃度;風(fēng)速剖面;湍流強(qiáng)度

中圖分類號(hào)：TU312;X43 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A 文章編號(hào)：2096-6717（2020）01-0116-10

Abstract：The theory and research methods of wind-sand two-phase flow have become mature， mainly focusing on the physical movement of wind-sand and wind-sand consolidation engineering. However， the study of wind-sand movement phenomenon and its effect on building structures is relatively rare. It is of great practical and engineering significance to continue the research on wind-sand resistance of engineering structures in wind-sand areas. In view of this， the wind field characteristics under the actual desert landform are simulated through wind tunnel test. The variation of sand consistency， wind velocity profile and turbulence intensity with height under the similar sandstorm environment is mainly studied through the falling sand on the top of the wind tunnel. By controlling the same wind speed and changing the sand transport rate， sand fall is carried out to form a variety of different types of wind-sand two-phase flow coupled flow field and compare with the non-sand-driving wind. The experimental results show that the distribution of sand consistency is related to the number of sand holes， the control of wind speed and height; the movement of sand particles in wind-sand flow field weakens the wind velocity profile， but enhances the turbulence intensity; the influence of the presence of sand particles in wind field on the wind speed at different heights is directly related to the vertical distribution characteristics of sand consistency， and the larger the sand consistency is， the weaker the wind speed is， and the stronger the turbulence intensity is.

Keywords：wind-sand two-phase flow; wind tunnel test; falling sand; sand consistency; wind velocity profile; turbulence intensity

風(fēng)沙流是風(fēng)與其所攜帶的沙物質(zhì)組成的氣、固兩相流，是風(fēng)沙物理的核心內(nèi)容，也是風(fēng)沙地貌、沙漠化、防沙工程的基礎(chǔ)理論之一，在整個(gè)風(fēng)沙學(xué)科中占有極其重要的地位，因而半個(gè)多世紀(jì)以來，引起了學(xué)者們的深切關(guān)注，并取得了一定的成果[1]。但與建立完善的理論體系、廣泛而有成效地應(yīng)用于生產(chǎn)實(shí)踐的目標(biāo)還有一段距離，還有許多工作要做。與其他國(guó)家相比，中國(guó)風(fēng)沙流研究稍顯薄弱，這與中國(guó)沙漠化危害程度及防沙、治沙的重要性不相稱。如何在較短時(shí)間內(nèi)革新、創(chuàng)建研究手段、方法，提高研究水平，是從事風(fēng)沙流研究人員面臨的問題[2]。風(fēng)沙流結(jié)構(gòu)研究是風(fēng)沙物理學(xué)中風(fēng)沙運(yùn)動(dòng)規(guī)律研究的重點(diǎn)，對(duì)沙塵暴氣候以及常態(tài)風(fēng)挾沙環(huán)境下沙塵啟動(dòng)機(jī)制的研究起決定性作用[3]。孫秋梅等[4]指出，風(fēng)沙物理學(xué)經(jīng)過半個(gè)多世紀(jì)的發(fā)展，在許多領(lǐng)域取得突破性進(jìn)展。風(fēng)洞試驗(yàn)作為風(fēng)沙物理學(xué)發(fā)展的技術(shù)支撐，在試驗(yàn)手段和內(nèi)容上都有了長(zhǎng)足的進(jìn)步，如風(fēng)速廓線皮托管、風(fēng)洞多路集沙儀等風(fēng)洞試驗(yàn)儀器的發(fā)展都有效地推動(dòng)了風(fēng)洞試驗(yàn)的進(jìn)步[5]。

風(fēng)沙流研究越來越受到人們的重視，其中，風(fēng)沙流通量廓線的研究起著重要作用[6-7]。董飛等[8]采用統(tǒng)計(jì)平均方法和懸浮體二相流連續(xù)介質(zhì)模型方法研究了風(fēng)沙流場(chǎng)中顆粒濃度和輸運(yùn)通量沿高度的分布規(guī)律，并針對(duì)負(fù)指數(shù)分布是經(jīng)驗(yàn)規(guī)律這一事實(shí)，對(duì)現(xiàn)階段常用的理論模型和測(cè)算顆粒濃度的方法進(jìn)行了討論，指出引進(jìn)更高精度實(shí)驗(yàn)測(cè)試手段的必要性。李振山等[9]找出了風(fēng)沙流結(jié)構(gòu)中反映風(fēng)沙輸移特征規(guī)律的輸沙率參數(shù)和特征風(fēng)速參數(shù)，并從它們之間的相互關(guān)系入手，結(jié)合已有的實(shí)測(cè)輸沙率資料，對(duì)形式各異的輸沙率公式進(jìn)行了系統(tǒng)比對(duì)，發(fā)現(xiàn)了各家公式結(jié)構(gòu)上的一致性，指出了現(xiàn)行輸沙率公式的適用性和局限性，提出了適用范圍更大、具有一般結(jié)構(gòu)形式的輸沙率公式。馬小明等[10]總結(jié)了3種典型地表（流沙地表、草方格地表、戈壁地表）風(fēng)沙流通量廓線研究現(xiàn)狀及存在問題，并根據(jù)研究中存在的問題，提出風(fēng)沙流通量廓線研究的發(fā)展趨勢(shì)。王洪濤等[11]通過粒子圖像測(cè)速技術(shù)（PIV），利用石英沙與天然沙相似原理，在風(fēng)洞內(nèi)研究了風(fēng)沙流中沙顆粒濃度沿高度的分布，結(jié)果表明，3個(gè)不同軸線風(fēng)速情況下，風(fēng)沙流中沙粒濃度沿水平方向基本保持不變，而沿垂直方向呈指數(shù)衰減，并且，其衰減速率與風(fēng)速大小關(guān)系密切。

風(fēng)速廓線的研究也是風(fēng)沙相互作用研究中的關(guān)鍵問題，其難點(diǎn)在于風(fēng)沙流中沙粒的運(yùn)動(dòng)對(duì)它的改變[12-15]。黃寧等[16]、張克存等[17]對(duì)戈壁地表風(fēng)沙流進(jìn)行了風(fēng)洞模擬試驗(yàn)，討論分析了戈壁地表對(duì)氣流紊動(dòng)的影響效應(yīng)，以及對(duì)風(fēng)沙流結(jié)構(gòu)和風(fēng)沙活動(dòng)層內(nèi)風(fēng)速廓線產(chǎn)生的影響。董治寶等[18]將躍移風(fēng)沙流視為一種顆粒擬流體，用顆粒流的阻力系數(shù)來表達(dá)躍移顆粒對(duì)氣流產(chǎn)生的阻力，建立了風(fēng)沙兩相流場(chǎng)相互作用的數(shù)學(xué)模型，應(yīng)用所建立的數(shù)學(xué)模型，結(jié)合風(fēng)洞試驗(yàn)得出的躍移風(fēng)沙流濃度和速度分布結(jié)果，擬合出了躍移風(fēng)沙流中的風(fēng)速廓線，并與風(fēng)洞試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行了對(duì)比。王洪濤等[19]對(duì)不同學(xué)者關(guān)于風(fēng)沙流中風(fēng)速廓線的研究成果進(jìn)行了分析與總結(jié)，指出了已有研究的不足之處，得出了兩種比較典型的沙床面穩(wěn)定狀態(tài)下風(fēng)沙流風(fēng)速廓線，建立了新的風(fēng)速廓線模型?？毫?qiáng)等[20]采用相位多普勒粒子分析儀測(cè)量了風(fēng)沙兩相流動(dòng)中沙床面上沙粒碰撞和起跳速度概率分布以及不同高度處沙粒速度概率分布。

以上研究表明，目前，現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)手段主要側(cè)重于沙顆粒輸移特性，缺少沙顆粒運(yùn)動(dòng)對(duì)不同高度處風(fēng)速和湍流強(qiáng)度的具體影響程度。已進(jìn)行的風(fēng)沙風(fēng)洞試驗(yàn)沒有對(duì)實(shí)際沙漠地區(qū)的湍流特性進(jìn)行模擬，結(jié)果與實(shí)際情況存在一定偏差，對(duì)風(fēng)沙運(yùn)動(dòng)規(guī)律的描述不夠充分和準(zhǔn)確。數(shù)值模擬計(jì)算中，邊界條件選擇、網(wǎng)格劃分以及兩相流模型的選取等均會(huì)直接影響到數(shù)值分析結(jié)果，因此，需要更符合實(shí)際情況的風(fēng)洞試驗(yàn)予以論證。為此，筆者在以往研究經(jīng)驗(yàn)的基礎(chǔ)上，專門針對(duì)特定沙漠地貌進(jìn)行了現(xiàn)場(chǎng)勘察和實(shí)測(cè)，在后續(xù)相關(guān)的風(fēng)沙風(fēng)洞試驗(yàn)中，以這種實(shí)際沙漠地貌風(fēng)場(chǎng)特征為依托并進(jìn)行調(diào)試。重點(diǎn)研究了風(fēng)洞頂部落沙環(huán)境下的沙濃度、風(fēng)沙流速度廓線以及湍流強(qiáng)度隨高度的變化情況;對(duì)比分析了凈風(fēng)場(chǎng)和多種落沙條件下風(fēng)沙流場(chǎng)的風(fēng)速剖面與湍流強(qiáng)度的不同。研究結(jié)果有助于類似沙塵暴氣候條件的災(zāi)害治理和西北沙漠地區(qū)鐵路沿線列車玻璃、太陽(yáng)能光伏板、輸電線塔以及聚光器等工程結(jié)構(gòu)的抗風(fēng)沙設(shè)計(jì)。

1 試驗(yàn)概況

1.1 風(fēng)沙風(fēng)洞簡(jiǎn)介

早在20世紀(jì)40年代，拜格諾、切皮爾等開始利用風(fēng)洞進(jìn)行風(fēng)沙運(yùn)動(dòng)和土壤風(fēng)蝕的試驗(yàn)研究。茲納門斯基專門設(shè)計(jì)和建造了沙風(fēng)洞，開展沙地風(fēng)蝕過程和沙堆防治問題的試驗(yàn)研究。1967年，中國(guó)科學(xué)院地理研究所的沙風(fēng)洞在蘭州建成投入使用。1988—1990年，原中國(guó)科學(xué)院蘭州沙漠研究所在沙坡頭試驗(yàn)站設(shè)計(jì)建造了一座中型土壤風(fēng)蝕風(fēng)洞。統(tǒng)計(jì)資料發(fā)現(xiàn)，當(dāng)前在風(fēng)洞中進(jìn)行的風(fēng)沙模擬試驗(yàn)研究主要包括：風(fēng)沙運(yùn)動(dòng)試驗(yàn)研究，風(fēng)蝕作用試驗(yàn)，風(fēng)積地貌形態(tài)形成試驗(yàn)研究，風(fēng)沙電試驗(yàn)，防沙工程模擬試驗(yàn)，林帶、林網(wǎng)及防風(fēng)沙效益的試驗(yàn)研究[21]。

由于傳統(tǒng)風(fēng)洞試驗(yàn)室較難實(shí)現(xiàn)風(fēng)沙環(huán)境的模擬，因此，開展風(fēng)沙試驗(yàn)需要對(duì)傳統(tǒng)風(fēng)洞進(jìn)行相應(yīng)改造，增加供沙裝置、集沙裝置、防沙風(fēng)場(chǎng)測(cè)試儀和沙?；厥昭b置等設(shè)備[22]。試驗(yàn)研究在中國(guó)科學(xué)院電工研究所進(jìn)行過風(fēng)沙試驗(yàn)功能改造的野外直流邊界層風(fēng)洞中進(jìn)行，該風(fēng)洞能夠準(zhǔn)確模擬相應(yīng)比例的風(fēng)沙流場(chǎng)，是一座單試驗(yàn)段風(fēng)洞，風(fēng)洞洞體為全鋼結(jié)構(gòu)，如圖1所示。風(fēng)洞外圍全長(zhǎng)60 m，試驗(yàn)段長(zhǎng)度20 m，斷面尺寸3 m×2.5 m，尾部收縮段收縮比為3.0。另外，為了減小試驗(yàn)位置處的軸向靜壓梯度，下風(fēng)向兩側(cè)壁分別設(shè)置了0.23°的擴(kuò)散角，該風(fēng)洞試驗(yàn)段風(fēng)速為1.5～30 m/s連續(xù)可調(diào)。

1.2 風(fēng)沙流場(chǎng)建立

為了貼合實(shí)際，并能夠指導(dǎo)后續(xù)工程結(jié)構(gòu)的抗風(fēng)沙設(shè)計(jì)，在試驗(yàn)研究初期建立了風(fēng)沙兩相流運(yùn)動(dòng)的風(fēng)洞試驗(yàn)相似準(zhǔn)則，利用風(fēng)洞內(nèi)的粘性不可壓縮兩相流體以及相互之間的等溫和各相連續(xù)運(yùn)動(dòng)，來模擬自然界平坦沙床表面處于動(dòng)態(tài)平衡狀態(tài)下的風(fēng)沙運(yùn)動(dòng)過程。這是因?yàn)樽匀唤缰械娘L(fēng)沙傳輸運(yùn)動(dòng)是大范圍的，其形成與發(fā)展過程長(zhǎng)期并且復(fù)雜，要進(jìn)行全過程模擬比較困難，因此，需要加以簡(jiǎn)化，進(jìn)行近似。測(cè)試分析表明，該相似準(zhǔn)則能夠準(zhǔn)確模擬相應(yīng)比例的風(fēng)沙流場(chǎng)。

基于沙漠地區(qū)特別的地貌環(huán)境，其近地面風(fēng)沙流場(chǎng)存在特殊性，研究組在風(fēng)洞試驗(yàn)前期進(jìn)行了西北內(nèi)陸典型沙漠地區(qū)的現(xiàn)場(chǎng)勘察和實(shí)測(cè)。實(shí)測(cè)地點(diǎn)選址于寧夏中衛(wèi)市騰格里沙漠東南部邊緣的一片空曠風(fēng)沙觀測(cè)場(chǎng)，利用現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)的方法獲取了近地面約10 m高度范圍內(nèi)的風(fēng)場(chǎng)特性，圖2（a）、（b）分別為實(shí)測(cè)風(fēng)場(chǎng)的相對(duì)風(fēng)速剖面和湍流度剖面，并在圖中將其與規(guī)范值相比較。從圖2可知，實(shí)際沙漠風(fēng)場(chǎng)特征已偏離標(biāo)準(zhǔn)的A類地貌，由于其實(shí)際地貌特征和流場(chǎng)特性的差異，與開闊海面、湖面等標(biāo)準(zhǔn)A類地貌相比，沙漠地區(qū)地貌有其自身的特點(diǎn)。筆者以這種實(shí)際的沙漠地貌特性來指導(dǎo)風(fēng)沙風(fēng)洞試驗(yàn)。

基于現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)結(jié)果，風(fēng)洞試驗(yàn)風(fēng)沙流場(chǎng)對(duì)應(yīng)的幾何縮尺比選為1∶10。風(fēng)場(chǎng)調(diào)節(jié)通過改變風(fēng)洞內(nèi)的尖劈、橫檔布置以及粗糙元的大小、位置及密度來完成，圖3所示為試驗(yàn)風(fēng)洞中模擬得到的特定沙漠地區(qū)下的風(fēng)速剖面和湍流度剖面，與現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)結(jié)果比較，其吻合性較好，這為后續(xù)類似沙塵暴氣候條件下風(fēng)沙流場(chǎng)特性的研究奠定了基礎(chǔ)。

1.3 風(fēng)沙流場(chǎng)測(cè)試技術(shù)

為了建立類似沙塵暴氣候條件下的風(fēng)沙流場(chǎng)，試驗(yàn)開始前，對(duì)風(fēng)洞進(jìn)行相應(yīng)的升級(jí)改造（圖4）。在風(fēng)洞試驗(yàn)段的前緣頂部位置增加安裝風(fēng)沙流漏沙槽裝置，該裝置包括梯形漏斗、漏沙孔、漏沙管和螺旋塞，通過人工落沙來模擬與沙塵暴相類似氣候條件下的風(fēng)沙試驗(yàn)。在漏斗位置處，通過控制漏沙孔的數(shù)量與落沙時(shí)間來調(diào)整進(jìn)入實(shí)驗(yàn)段的沙量;在一定風(fēng)速下，經(jīng)過實(shí)驗(yàn)段較長(zhǎng)距離的擴(kuò)散，風(fēng)吹落沙能夠在試驗(yàn)測(cè)試位置處形成質(zhì)量濃度均勻的風(fēng)沙工況。通過調(diào)節(jié)風(fēng)洞進(jìn)口處的風(fēng)速和漏沙槽裝置的各種參數(shù)，可以獲得不同工況下的多種沙質(zhì)量濃度梯度。

風(fēng)沙兩相流場(chǎng)環(huán)境不同于常規(guī)凈風(fēng)場(chǎng)環(huán)境，常見的三維脈動(dòng)風(fēng)速測(cè)試儀和熱線風(fēng)速儀不適用，因此，需要專門用于風(fēng)沙試驗(yàn)的防沙風(fēng)速廓線測(cè)試儀。試驗(yàn)過程中，風(fēng)速測(cè)試裝置由中國(guó)科學(xué)院寒區(qū)旱區(qū)環(huán)境與工程研究所開發(fā)研制，基于皮托管原理測(cè)試風(fēng)速值的大小，沿高度方向一共有10路通道，各傳感器和對(duì)應(yīng)的變送器集成安裝在圖5（a）所示的儀器內(nèi)部，防止了大簇走線對(duì)風(fēng)場(chǎng)特性的影響并起到防沙的作用。風(fēng)場(chǎng)穩(wěn)定后，通過裸露在外的與流場(chǎng)方向平行的感應(yīng)探針可以直接采集測(cè)試位置處的風(fēng)速值，并能夠精確到0.001 m/s，但不能直接測(cè)量湍流強(qiáng)度，湍流強(qiáng)度通過各高度處采集到的風(fēng)速樣本值進(jìn)行計(jì)算，即采集時(shí)段內(nèi)風(fēng)速的標(biāo)準(zhǔn)差與平均值之比。該測(cè)試儀能夠采集到的風(fēng)速高度分別為5、10、15、50、100、250、500、750、1 000、1 250 mm[23]。

風(fēng)沙試驗(yàn)過程中，集沙儀由中國(guó)科學(xué)院寒區(qū)旱區(qū)環(huán)境與工程研究所開發(fā)研制，其能夠獲取不同工況下風(fēng)沙流場(chǎng)不同高度處的沙質(zhì)量濃度分布情況。該梯度集沙測(cè)試儀安裝在試驗(yàn)段中部，總高度1 m，沿高度方向一共設(shè)置了50路通道，每路通道的進(jìn)沙口為邊長(zhǎng)20 mm的正方形，并連通一個(gè)集沙盒，最終可收集50個(gè)梯度高度處的集沙量，如圖5（b）所示。測(cè)試完成后，用千分位（0.001 g）的電子天平對(duì)每個(gè)集沙盒內(nèi)沙量分別進(jìn)行稱重，通過計(jì)算后可以得到1 m高度范圍內(nèi)的沙質(zhì)量濃度分布規(guī)律。邊界層風(fēng)洞中儀器設(shè)備的布置和安放信息見圖6。

2 數(shù)據(jù)處理結(jié)果

2.1 風(fēng)沙流場(chǎng)的沙質(zhì)量濃度

倪晉仁等[26]通過對(duì)風(fēng)沙流進(jìn)行長(zhǎng)期的系統(tǒng)研究發(fā)現(xiàn)，風(fēng)沙環(huán)境特性與風(fēng)速大小有很大關(guān)系。為了能夠在風(fēng)沙風(fēng)洞中建立類似沙塵暴氣候條件下的風(fēng)沙流場(chǎng)，研究不同風(fēng)速下的風(fēng)沙流動(dòng)特性，落沙試驗(yàn)總共選用了3種風(fēng)洞控制風(fēng)速工況，分別為10、13、16 m/s。通過在每種風(fēng)洞控制風(fēng)速下利用風(fēng)洞頂部漏沙槽裝置改變輸沙率而控制漏沙孔的數(shù)量（0.5、1、1.5、2、2.5孔），分別模擬了實(shí)際沙塵天氣中的浮塵、揚(yáng)沙、沙塵暴、強(qiáng)沙塵暴和特強(qiáng)沙塵暴5種強(qiáng)度類似沙塵暴環(huán)境的不同沙濃度工況。試驗(yàn)用沙取自現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)位置處的騰格里沙漠，平均粒徑為0.375 mm左右，試驗(yàn)前用1 mm孔徑的篩子篩除雜質(zhì)。經(jīng)粒度分析可知其中粒徑組成范圍為0.25～0.5 mm的細(xì)沙顆粒約占75%，0.5～1 mm的粗沙顆粒約占25%，細(xì)沙顆粒與粗沙顆粒按照約3∶1混合構(gòu)成。

對(duì)各工況下不同高度位置處收集到的沙量分別進(jìn)行稱重，依次計(jì)算出對(duì)應(yīng)高度處沙質(zhì)量濃度，共可得到15種工況下的質(zhì)量濃度分布。采用控制單一變量進(jìn)行比較，分別畫出相同風(fēng)速下不同落沙和相同落沙不同風(fēng)速下的沙質(zhì)量濃度梯度曲線，如圖7所示。試驗(yàn)結(jié)果表明，沙質(zhì)量濃度分布與落沙孔數(shù)量、控制風(fēng)速以及高度均有關(guān)。

圖7（a）～圖7（c）表明，同一控制風(fēng)速下，5種孔數(shù)落沙沙濃度隨高度的變化趨勢(shì)基本一致，且濃度隨落沙量的增大而增大。然而，風(fēng)速的改變卻對(duì)沙質(zhì)量濃度的垂直分布特性有明顯的影響，總體規(guī)律是隨著風(fēng)速的逐步加大，下部濃度越來越小，上部濃度逐漸增大，其中，在風(fēng)速16 m/s時(shí)，轉(zhuǎn)折點(diǎn)比較明顯，大概在0.2～0.4 m之間。在風(fēng)速較小時(shí)，底部沙質(zhì)量濃度最大，濃度隨高度的增加呈現(xiàn)指數(shù)遞減規(guī)律，其中，在0～0.2 m高度內(nèi)減小幅度大，在0.2～1 m高度內(nèi)減小幅度小，且在0～0.2 m高度內(nèi)的濃度明顯大于0.2～1 m高度內(nèi)的濃度;伴隨著風(fēng)速的增大，0.2～1 m高度內(nèi)的濃度漸漸增大，與此同時(shí)，底部的沙量逐漸減小，濃度隨高度減小的幅度變小。這主要是由于從風(fēng)洞頂部下落的沙顆粒在伴隨著氣流運(yùn)動(dòng)過程中，會(huì)受到重力的作用而下沉，在風(fēng)速較大時(shí)，沙子水平運(yùn)動(dòng)速度增大，脈動(dòng)也較明顯，因此，上部被吹起的沙子也會(huì)增多，在到達(dá)風(fēng)洞測(cè)試位置處，仍有大部分沙顆粒的下沉位移較小。伴隨著風(fēng)速的增大，沙質(zhì)量濃度垂直分布曲線呈現(xiàn)規(guī)律性變化，在0～0.2 m高度內(nèi)的濃度要明顯小于風(fēng)速較小的情況，在0.2～1 m高度內(nèi)的濃度隨風(fēng)速的增大慢慢變大，逐步轉(zhuǎn)變?yōu)殡S高度的增加而增大。

圖7（d）～圖7（h）表明同一孔數(shù)落沙的情況下，即輸沙率相同而風(fēng)速不同時(shí)，3種風(fēng)速下沙質(zhì)量濃度隨高度的變化趨勢(shì)不同，總體規(guī)律是隨著風(fēng)速的逐步加大，下部濃度越來越小，上部濃度逐漸增大，其中，2.5孔落沙時(shí)規(guī)律比較明顯，交叉點(diǎn)大概出現(xiàn)在0.4 m處。在0～0.4 m高度內(nèi)，風(fēng)速越小，濃度越大，濃度與高度成反比;在0.4～1 m高度內(nèi)，風(fēng)速越大，濃度越大，濃度隨高度變化規(guī)律逐步由反比轉(zhuǎn)變?yōu)檎汝P(guān)系。另外，在相同落沙的情況下，風(fēng)速越大，對(duì)應(yīng)的沙質(zhì)量濃度總體上有減小的趨勢(shì)。輸沙率的改變?cè)?種風(fēng)速下對(duì)沙質(zhì)量濃度的垂直分布特性沒有明顯的影響，整體濃度只是在數(shù)值上隨著輸沙率的增大而增大。

從圖8可以看出，在同一（孔數(shù)）輸沙率進(jìn)行落沙的情況下，針對(duì)3個(gè)高度（0.09、0.49、0.89 m）分別對(duì)應(yīng)不同風(fēng)速下的沙質(zhì)量濃度進(jìn)行分析可知，底部0.09 m處的濃度都是隨著風(fēng)速的增大而減小，低風(fēng)速時(shí)濃度相對(duì)最大;中部0.49 m處的濃度基本都是在風(fēng)速為13 m/s時(shí)最大;高處0.89 m處的濃度在輸沙率較小時(shí)于13 m/s時(shí)最大，在輸沙率變大時(shí)逐漸轉(zhuǎn)化為在16 m/s時(shí)最大。在風(fēng)速為10 m/s時(shí)，中部的質(zhì)量濃度都大于高處;在風(fēng)速為16 m/s時(shí)，剛好相反，高處的質(zhì)量濃度都大于中部;當(dāng)風(fēng)速為13 m/s時(shí)，隨著輸沙率的增加，中部的沙質(zhì)量濃度逐步由小于高處變?yōu)榇笥诟咛帯?/p>

2.2 風(fēng)沙流場(chǎng)的風(fēng)速剖面

風(fēng)沙流場(chǎng)內(nèi)沙顆粒的存在會(huì)對(duì)風(fēng)速有直接影響，為了研究風(fēng)沙流中沙的不同濃度對(duì)風(fēng)速剖面影響的不同，圖9給出了5種工況下風(fēng)沙流場(chǎng)與對(duì)應(yīng)凈風(fēng)場(chǎng)的風(fēng)速剖面，并計(jì)算了相對(duì)應(yīng)高度處的湍流強(qiáng)度。其中，凈風(fēng)場(chǎng)是指在相同的風(fēng)場(chǎng)布置條件和風(fēng)洞控制風(fēng)速下控制了單一變量，即風(fēng)沙流場(chǎng)內(nèi)加入了風(fēng)洞頂部落沙，而凈風(fēng)場(chǎng)并沒有，這樣在試驗(yàn)過程中可以使試驗(yàn)設(shè)備和儀器安裝位置均相同，測(cè)試結(jié)果可以直接看出沙顆粒的存在對(duì)流場(chǎng)特征參數(shù)的影響。

比較圖9（a）、（b）、（c）可知，沙顆粒的運(yùn)動(dòng)對(duì)風(fēng)速剖面有一定影響，與凈風(fēng)場(chǎng)相比，主要表現(xiàn)為削弱作用。將多種工況下的不同高度位置處風(fēng)速的削弱值大小v進(jìn)行計(jì)算，見表1～表3。

同一（孔數(shù)）輸沙率進(jìn)行落沙的情況下，取表1～表3中1、2.5孔落沙時(shí)在不同風(fēng)速下的各高度處風(fēng)速削弱值進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析，其結(jié)果見圖10。與圖7（e）、（h）比較可知，各高度處風(fēng)速的影響程度與沙質(zhì)量濃度的垂向分布特征有關(guān)，變化趨勢(shì)基本一致，其他孔數(shù)落沙時(shí)規(guī)律也類似。總體表現(xiàn)為風(fēng)速的削弱程度隨落沙孔數(shù)的增大而顯著，濃度大的高度處風(fēng)速減弱的幅度也越大。在風(fēng)速較小時(shí)，由于沙質(zhì)量濃度隨高度的增加而減小，沙顆粒運(yùn)動(dòng)對(duì)風(fēng)速剖面的削弱程度也隨高度的增加而減弱，在0～0.2 m高度范圍內(nèi)的濃度最大，因此，底部風(fēng)速剖面的削弱程度也較大。伴隨著風(fēng)速的增大，0.2～1 m高度范圍內(nèi)的沙量逐漸增多，在風(fēng)速較大時(shí)，0.2～1 m高度范圍內(nèi)的濃度隨高度的增加而增大，此時(shí)沙顆粒運(yùn)動(dòng)對(duì)風(fēng)速剖面的削弱程度也隨高度的增加而略有增大;與此同時(shí)，0～0.2 m高度范圍內(nèi)的濃度依然隨高度的增加而減小，其對(duì)風(fēng)速剖面的削弱程度也剛好相反，只是相比較低風(fēng)速而言，削弱的幅度不大。

同時(shí)，從表1～表3中可以看出，在相同落沙的情況下，整體影響程度也隨風(fēng)速的增大而減小，這是由于風(fēng)速越大，對(duì)應(yīng)的沙質(zhì)量濃度總體上會(huì)有減小的趨勢(shì)，因此，其對(duì)整體風(fēng)速剖面的平均削弱程度就會(huì)變小。

2.3 風(fēng)沙流場(chǎng)的湍流強(qiáng)度

為了研究風(fēng)沙兩相流耦合流場(chǎng)中沙粒的不同濃度對(duì)湍流強(qiáng)度的影響，從圖9（d）、（e）、（f）給出的3種風(fēng)洞控制風(fēng)速下的湍流強(qiáng)度隨高度的變化關(guān)系可知，凈風(fēng)場(chǎng)與風(fēng)沙流場(chǎng)的湍流強(qiáng)度均隨著高度的增加而減小，且沙顆粒的運(yùn)動(dòng)對(duì)湍流強(qiáng)度有一定的影響，主要表現(xiàn)為增強(qiáng)作用。將多種工況時(shí)的不同高度位置處湍流強(qiáng)度的增大值I進(jìn)行計(jì)算，結(jié)果見表4～表6。

同一（孔數(shù)）輸沙率進(jìn)行落沙的情況下，取表4～表6中1、2.5孔落沙時(shí)在不同風(fēng)速下的各高度處湍流強(qiáng)度增大值進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析，見圖11。與圖7（e）、（h）比較可知，各高度處湍流強(qiáng)度的影響程度與沙質(zhì)量濃度的垂向分布特征有關(guān)，變化趨勢(shì)基本一致，其他孔數(shù)落沙時(shí)規(guī)律也類似。與風(fēng)速剖面的變化規(guī)律相同，總體表現(xiàn)為湍流強(qiáng)度的增強(qiáng)程度隨落沙孔數(shù)的增多而顯著，濃度大的高度處湍流強(qiáng)度增強(qiáng)的幅度也越大。在風(fēng)速較小時(shí)，由于沙質(zhì)量濃度隨高度的增加而減小，沙顆粒運(yùn)動(dòng)對(duì)湍流強(qiáng)度的增強(qiáng)程度也隨高度的增加而減弱，在0～0.2 m高度范圍內(nèi)的沙濃度最大，因此，底部湍流強(qiáng)度的增強(qiáng)程度也較大。伴隨著風(fēng)速的增大，0.2～1 m高度范圍內(nèi)的集沙量逐漸增多，在風(fēng)速較大時(shí)，0.2～1 m高度范圍內(nèi)的濃度隨高度的增加而增大，此時(shí)，沙顆粒運(yùn)動(dòng)對(duì)湍流強(qiáng)度的增強(qiáng)程度也隨高度的增加而略有增大;與此同時(shí)，0～0.2 m高度范圍內(nèi)的濃度依然隨高度的增加而減小，其對(duì)湍流強(qiáng)度的增強(qiáng)程度也剛好相反，只是相比較低風(fēng)速而言，增強(qiáng)的幅度不大。

從表4～表6同樣也可以看出，在相同落沙的情況下，整體影響程度也會(huì)隨著風(fēng)速的增大而減小，原因是風(fēng)速越大，對(duì)應(yīng)的沙質(zhì)量濃度總體上會(huì)有減小的趨勢(shì)，因此，其對(duì)整體湍流強(qiáng)度的平均增大程度就會(huì)變小。

3 結(jié)論

通過對(duì)類似沙塵暴氣候條件下的風(fēng)沙兩相流耦合流場(chǎng)進(jìn)行風(fēng)洞試驗(yàn)?zāi)M和研究，得到了多種工況下不同高度處的沙濃度、風(fēng)沙流速、湍流強(qiáng)度的變化規(guī)律。

1）風(fēng)洞落沙條件下的沙濃度梯度分布與落沙孔的數(shù)量、控制風(fēng)速以及高度均有關(guān)。同一風(fēng)速下，沙濃度隨落沙量的增大而增大;風(fēng)速的改變對(duì)沙濃度的垂直分布特性有著明顯的影響，隨著風(fēng)速的逐步加大，下部濃度越來越小，上部濃度逐漸增大，轉(zhuǎn)折點(diǎn)出現(xiàn)在0.2～0.4 m之間。

2）同一孔數(shù)落沙的情況下，3種風(fēng)速下沙濃度隨高度的變化趨勢(shì)不同，大概在0.4 m處存在明顯交叉點(diǎn)。相同落沙的情況下，風(fēng)速越大，對(duì)應(yīng)的沙濃度總體上有減小的趨勢(shì)。

3）風(fēng)沙流場(chǎng)中，沙顆粒的運(yùn)動(dòng)對(duì)風(fēng)速有一定的削弱作用。風(fēng)場(chǎng)中沙質(zhì)量濃度沿高度方向的分布特征直接影響了各高度處風(fēng)速值的大小，濃度越大對(duì)風(fēng)速的削弱程度越顯著，濃度大的高度處風(fēng)速減弱的幅度也越大。

4）與凈風(fēng)場(chǎng)相比，沙顆粒的存在對(duì)湍流強(qiáng)度有影響，具體表現(xiàn)為沙顆粒運(yùn)動(dòng)對(duì)湍流強(qiáng)度有一定的增強(qiáng)作用。與風(fēng)速剖面的影響規(guī)律相類似，這種增強(qiáng)程度隨沙濃度的增大而顯著。

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（編輯 王秀玲）