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内容简介

《可移动式风蚀风洞及其辅助系统设计原理与应用》是以南开大学NK-1可移动式风蚀风洞及其辅助系统设计为核心，详细研究了风蚀风洞及其辅助系统的设计?集沙仪?排沙器和原状取土器。内容包括国内外可移动式风蚀风洞概述；可移动式风蚀风洞设计的理论基础；可移动式风蚀风洞气动结构设计；大气边界层实验模拟方法；可移动式风蚀风洞辅助系统及测量；土壤风蚀物采集器———集沙仪；排沙器和原状取土器。

目录

目 录
第1章 国内外可移动式风蚀风洞概述1
1 1 可移动式风蚀风洞的产生?作用与特点1
1 1 1 土壤风蚀研究与风蚀风洞1
1 1 2 可移动式风蚀风洞的地位与作用5
1 1 3 可移动式风蚀风洞的类型及主要特点6
1 2 可移动式风蚀风洞研究进展8
1 2 1 国外可移动式风洞研究进展8
1 2 2 国内移动式风蚀风洞研究进展13
参考文献22
第2章 可移动式风蚀风洞设计的理论基础28
2 1 理论基础概述28
2 1 1 相似理论28
2 1 2 误差理论31
2 1 3 异常值检验与剔除33
2 2 可移动式风蚀风洞设计的动力学相似准数39
2 2 1 大气边界层湍流运动方程与相似准数39
2 2 2 流动雷诺数 (Reynoldsnumber )42
2 2 3 罗斯贝数 (Rossbynumber )42
2 2 4 弗劳德数 (Froudenumber )43
2 2 5 普兰特数 (Prandtlnumber )43
2 2 6 皮克莱数 (Pecletnumber )44
2 3 含沙气流流场44
2 3 1 颗粒起动与受力分析44
2 3 2 运动方程47
2 3 3 含沙流场动力学相似准则48
2 4 平均风速剖面模拟50
2 4 1 对数律表示法50
2 4 2 指数律表示法53
2 5 大气边界层湍流特性模拟55
2 5 1 湍流强度模拟55
2 5 2 脉动风功率谱模拟56
2 5 3 湍流积分尺度模拟 57
2 5 4 静压梯度模拟58
参考文献58
第3章 可移动式风蚀风洞气动结构设计63
3 1 可移动式风蚀风洞洞体设计63
3 1 1 风蚀风洞洞体气动方案与结构设计63
3 1 2 风蚀风洞洞体气动结构介绍65
3 1 3 实验段 (workingsection )设计65
3 1 4 尾部扩散段 (diffusingsection )设计71
3 1 5 收缩段 (contractionsection )设计71
3 1 6 转角段 (turningsection )设计74
3 1 7 稳定段 (stabilitysection )设计76
3 1 8 过渡段 (transitionsection )设计78
3 2 风洞能量比估算78
3 2 1 能量比定义78
3 2 2 实验段能量损失估算79
3 2 3 尾部扩散段能量损失估算81
3 2 4 收缩段能量损失估算82
3 2 5 稳定段能量损失估算83
3 2 6 转角段能量损失估算85
3 2 7 过渡段能量损失估算87
3 2 8 进气段能量损失估算87
3 2 9 动力段能量损失估算88
3 2 10 风机选择89
3 3 动力段设计90
3 3 1 风扇设计90
3 3 2 导流片设计98
3 3 3 整流罩设计102
3 3 4 风扇效率校核104
参考文献105
第4章 大气边界层实验模拟方法107
4 1 模拟方法108
4 1 1 被动模拟方法109
4 1 2 主动模拟方法113
4 2 CFD数值模拟技术115
4 2 1 大气边界层控制方程116
4 2 2 湍流的数值模拟方法117
4 2 3 CFD软件求解过程120
4 2 4 多孔介质模型 121
4 3 模拟实例1— ——NK￣1可移动式风蚀风洞模拟装置122
4 3 1 模型的选取123
4 3 2 划分计算网格123
4 3 3 引入多孔介质模型124
4 3 4 参数设置125
4 3 5 多孔介质模型模拟结果126
4 3 6 引入棒栅验证127
4 3 7 棒栅-粗糙元模拟装置对流场特性的影响129
4 3 8 室内风洞实验研究137
4 4 模拟实例2— ——OFDY-1 2型风洞大气边界层模拟装置140
4 4 1 平行棒栅与粗糙元的设计140
4 4 2 具体调节和布置方法140
4 4 3 风洞风速廓线调节结果与结论141
参考文献143
第5章 可移动式风蚀风洞辅助系统及测量147
5 1 数据采集与控制系统147
5 1 1 概述147
5 1 2 系统硬件模块148
5 1 3 系统软件模块151
5 2 风速测试系统152
5 2 1 风速测量方法概述152
5 2 2 单点风速测量方法154
5 2 3 平均风速剖面测量仪156
5 2 4 测试系统组成157
5 3 接地与保护158
5 4 空风洞流场动力学性能检测159
5 4 1 实验段流场性能检测159
5 4 2 空风洞壁面边界层检测175
5 4 3 风洞能量比检测182
参考文献183
第6章 土壤风蚀物采集器 ———集沙仪184
6 1 集沙仪简介184
6 1 1 国外集沙仪简介184
6 1 2 国内集沙仪简介193
6 2 集沙仪设计实例200
6 2 1 集沙仪设计原则200
6 2 2 南开大学集沙仪设计实例201
6 2 3 内蒙古农业大学旋风分离式集沙仪设计实例 209
参考文献212
第7章 排沙器和原状取土器215
7 1 排沙器研究现状及设计215
7 1 1 排沙器的研究现状215
7 1 2 内蒙古农业大学排沙器215
7 1 3 “喷沙 ”模拟装置217
7 2 原状取土器219
7 2 1 原状取土器的研究现状219
7 2 2 内蒙古农业大学的原状取土器219
参考文献 223

精彩书摘

第1章 国内外可移动式风蚀风洞概述
风蚀风洞是伴随着土壤风蚀问题的研究而产生和发展起来的.土壤风蚀所产生的颗粒物会造成源地?途径地和汇地大气颗粒物污染加剧.并引发一系列环境与健康问题.探求风蚀机制及其控制途径.成为世界各国土壤保持和大气颗粒物污染防治领域的科学家和研究者共同努力的方向.环境风洞及可移动式风蚀风洞的开发与应用.极大地加速了土壤风蚀问题研究的进程.而可移动式风蚀风洞(movablewinderosiontunnel)的出现及其应用.在土壤风蚀影响因子?风蚀预报模型?抗风蚀机制?风蚀控制技术?风蚀控制管理措施?土壤风蚀危害等系统研究中发挥了极其重要的作用.已成为土壤风蚀成因以及管理与控制领域不可或缺的研究工具.本章简要介绍可移动式风蚀风洞的产生?作用与特点.分类介绍国内外可移动式风蚀风洞的发展与各自的特点和应用状况.归纳总结了可移动式风蚀风洞设计的基本准则和一般要求.
1..1 可移动式风蚀风洞的产生?作用与特点
1..1..1 土壤风蚀研究与风蚀风洞
1..1..1..1 土壤风蚀的定义
科学的风蚀(winderosion)概念以侵蚀(erosion)概念为基础.erosion一词源于拉丁语erodere.原意为吃掉?挖掉.1894年.Penck将erosion引入地质学中.首次用以描述水流作用下地表固体物质的流失和沟壑?漕谷的形成.与erosion意义相近的.用于描述侵蚀现象的词还有ablation (源于拉丁语ablatio.意为带走)?corrosion (源于拉丁语.意为啃成碎片)?abrasion (源于拉丁语abradere.意为刮掉 )和deflation等.史培军等(1999)认为土壤侵蚀过程涉及侵蚀动力与下垫面相互作用过程.侵蚀是在各种外在物质 (即外在地貌因子 )作用下.土壤层或其下基岩 (即土壤圈和岩石圈 )的破损.依据侵蚀发生的水动力?风动力?温差?重力等作用力的不同.土壤侵蚀过程可划分为水蚀过程?风蚀过程?冻融侵蚀过程?重力侵蚀过程.
朱显谟(1956)提出.风蚀是风力作用对土壤圈或岩石圈进行损害和破坏.风蚀过程就是风力作用引起地表物质脱离地表并被搬运和再堆积的过程.董治宝和李振山(1995)指出.风蚀是侵蚀与塑造地球景观的基本地貌过程之一.也是发生于干旱?半干旱以及部分半湿润地区土地沙漠化的关键环节.因此在自然状态下.风蚀与水力侵蚀?重力侵蚀和冻融侵蚀等各类土壤侵蚀一样.只是自然力作用下的某种现象.Chepil和Milne (1939)研究认为.对于疏松干燥的细颗粒土壤?缺乏植被覆盖的裸露地表?开阔平坦的原野等区域.容易发生风蚀.戚隆溪和王伯懿(1996)指出.风蚀是指松散的地表土壤颗粒被风吹起和输运的吹蚀过程.以及地表物质受到风吹起颗粒撞击而破碎的磨蚀过程.吹蚀过程主要涉及流体动力学过程.或者更严格地讲是气固两相流动过程.风蚀主要发生在干旱与半干旱气候区.一般年降雨量在250 ~300mm范围内的地区易受风蚀影响.土壤侵蚀分类分级标准(SL190—2007)对风蚀的定义为 :风蚀即风力侵蚀.指在气流的冲击作用下.土粒?沙粒或岩石碎屑脱离地表.被搬运和堆积的过程.
土壤风蚀是土壤侵蚀的一种类型..风沙物理学 .(丁国栋.2010)对土壤风蚀的描述是 :土壤风蚀是指土壤或土壤母质在一定风力的作用下.土壤结构遭受破坏以及土壤颗粒发生位移的过程.Shao (2000)?董志宝等(1995)等认为.土壤风蚀可以理解为 :土壤颗粒受风力作用产生位移.这种位移包括土壤颗粒的夹带起尘?空间运移?重力沉降与沉积或地表土壤颗粒的蠕移?运移?沉积和再堆积过程.
上述这些过程表现为地表颗粒的磨蚀过程.实质上是表层土壤中细颗粒物和营养物质的吹蚀?搬运与沉积的过程.所产生的直接性生态后果表现为 :造成表土层大量富含营养元素的细微颗粒的损失.致使农田表土层粗化?土壤肥力下降和土地生产力衰退.是导致土地荒漠化的重要原因.土壤风蚀过程易产生大量的气溶胶颗粒.这些颗粒悬浮于大气中.会造成所在地区乃至周边地区严重的环境污染.是沙尘?扬沙等天气现象的重要来源.
1..1..1..2 土壤风蚀问题的研究与发展
自然界风力侵蚀的表现形式多种多样.如各种鬼斧神工般的风蚀地貌以及黄土高原的形成等.构成了自然环境的一部分.人类既无可能?也无必要对这些正常的自然过程强加改变.胡云锋等(2003)将这种自然状态下的风力侵蚀称为 “容许侵蚀”.由于人类的高强度?不合理活动.风力侵蚀发生?发展的强度及影响范围逐渐增强?增大.乃至引发环境灾害.危及人类正常的生产?生活环境甚至于生命安全.例如.20世纪30年代中叶至40年代.美国中西部大平原?加拿大西部大草原以及苏联中亚地区灾难性的 “黑风暴 ”事件.据估计.这一时期美国大平原每年被侵蚀的土质重量与进入大气中的尘埃重量分别为2..44亿t和0..77亿t.每年来自撒哈拉地区的矿物质尘埃达2..60亿t.每年风从大地表面上搬运的粒径小于20μm的细沙量超过5亿t.探求风蚀机制及其控制途径成为世界各国土壤保持与颗粒物污染防治领域的科学家共同努力的方向.
正是这一时期严重的沙尘暴引起了科学界对土壤风蚀危害的空前重视.极大地刺激了风蚀问题研究的纵深发展.Bagnold (1941)深入利比亚沙漠进行观测.积累了丰富的现场资料.同时利用室内风沙环境风洞进行相关研究.获得了广泛的实验资料.以这些资料为基础.创立了风沙物理学.建立了 .风沙和荒漠沙丘物理学 .的理论体系.他将风-沙定性关系问题简化为可以定量测量的空气动力学问题来研究.通过风沙环境风洞(windtunnelofblownsandenvironment)实验和野外观测来确定引起沙粒移动的力学机制.全面研究了稳定地表和被侵蚀表面上空的风速剖面?沙粒移动的起动风速?沙粒的跃移与蠕移等土壤风蚀问题.为近代风蚀体系的认识与研究奠定了坚实的科学基础.遵循Bagnold的理论体系.Chepil (1945)及其合作者对耕地的风蚀问题进行了长达25年的系统研究.涉及风蚀的影响因子以及沙粒的蠕移?输运和沉积机制.发表了具有重要学术价值的研究论文.讨论了吹蚀机制问题.分析了风蚀因子.确定了土壤可蚀性指标和气候指标.研制了风蚀仪器设备.初步建立了风蚀研究的理论-实践体系.被誉为现代土壤风蚀科学的开拓者.风蚀研究由此实现了由定性研究向定量研究的飞跃.可移动式风蚀风洞的雏形便在此阶段产生.自1947年可移动式风蚀风洞经美国农业部土壤风蚀实验室进一步的开发?改进与发展.在土壤风蚀影响因子的系统研究中发挥了极其重要的作用.20世纪60年代.Woodruff和Siddoway (1965)建立的世界上第一个通用风蚀方程(WEQ).便是基于该可移动式风蚀风洞的野外实验数据得到的.这里提到的风沙环境风洞是风沙研究的专用设备.用来模拟研究风对自然界地表结构的影响.以及风和沙粒在吹蚀?搬运?堆积过程中的相互作用与相互关系.可移动式风蚀风洞特指一类尺寸小?重量轻?可拆卸?容易移至野外并在真实地表条件下现场进行实验的研究工具.国外学者Raupach (1990)?Nickling和Gillies (1993)?Leys和Raupach (1991)?Pietersma等(1996)在其论文中多称之为便携式风洞(portablewindtunnel).国内研究者朱朝云等(1992)?吴正(2003)的相关文献中称为野外风蚀风洞(fieldwindtunnel).荣姣凤(2004)?范贵生(2005)发表的论文中称为可移动式风蚀风洞.
当然.由于自然条件的错综复杂.地表风蚀研究经历过几次大的发展浪潮.而每一次大的发展都更加强化和注重了风蚀风洞实验研究的实际应用.
(1)国外土壤风蚀研究进展
国外土壤风蚀研究可分为4个阶段 :定性描述阶段?定量研究阶段?风蚀方程的建立与完善阶段及风蚀预报系统的建立与完善阶段.
1)定性描述阶段.20世纪30年代前.科学家总结了对土壤风蚀认识的有关结论.包括风与土壤的相互作用?风蚀物质的损失与搬运等.认为通过深入了解土壤理化性质可以找出减轻土壤风蚀的办法.如增加土壤湿度和有机质含量?改良土壤结构?增加作物残留物?构建防风带等措施保护地表.
2)定量研究阶段.20世纪30年代中期.Bagnold的代表作 .风沙和荒漠沙丘物理学 .标志着土壤风蚀迈入了定量研究阶段.是近代风蚀体系认识与研究的奠基石.
3)风蚀方程的建立与完善阶段.20世纪30年代末至50年代.“黑风暴 ”事件成为这一时期的标志.这一时期.美国的Chepil被誉为现代土壤风蚀科学的开拓者.风蚀动力学机制?风沙流磨蚀作用?风蚀流失量及其影响因素?土壤风蚀因子?风蚀强度等级以及土壤理化性质与土壤抗蚀性间关系等研究获得突破.风蚀研究理论体系的建立成为风蚀定量研究飞跃发展过程的标志.50年代中期.苏联雅库波夫等通过野外观测和风洞模拟实验.探讨了微地形?土壤?植被等环境条件与土壤风蚀间的关系.在防风蚀的综合农业措施方面做出了卓越贡献.自此.涉及物理措施?生物措施?管理措施等农田防风蚀措施的研究得到重视与发展.土壤风蚀的研究由理论研究向应用研究转变.
4)风蚀预报系统的建立与完善阶段.20世纪60年代.计算机的应用使土壤风蚀研究出现新的转机.并得以在理论研究领域长足发展.Woodruff和Siddoway (1965)首次建立了田间年风蚀量的估算模型 ———WEQ.使之成为这一时期的标志.80年代.计算机技术的迅速发展和深入渗透.美国农业部专家组综合风蚀科学?数据库?计算机技术等联合推进土壤风蚀预报的研究.提出了修正风蚀方程(RWEQ).90年代继续推出了风蚀预报系统(WEPS).最终取代WEQ.土壤风蚀程度与环境因素密切相关.WEPS具有模拟田间条件和土壤蚀积时空变异的能力.除模拟基本的风蚀过程.还能模拟土壤风蚀随环境条件影响变化的过程.该系统可以分别输出跃移?蠕移和悬浮土壤流失量方面的量化数据.这在土壤风蚀起尘对城市环境空气质量的影响研究中至关重要.WEPS是迄今为止影响因素最完整?手段最先进的风蚀预报模型.是大力推进风蚀定量评价研究?风蚀防治实践?环境规划与管理等工作的重要技术工具.
(2)国内土壤风蚀研究概况
我国学者很早就注意到土壤风蚀问题及其引起的沙尘暴灾害.但风蚀研究工作进展缓慢.20世纪50年代以前.随着西方近代土壤侵蚀研究的不断发展和相关科学知识的传播.国内学者开始关注并认识土壤风蚀问题.国内土壤风蚀的研究过程大致可以归纳为四个阶段.
1)萌芽阶段.1950年以前.国内研究者基于风沙物理学研究和沙漠研究.开始较详细地对我国干旱?半干旱地区的农田风蚀问题进行调查.区域涉及东北?内蒙古?新疆?陕北及黄河下游洪泛平原半湿润地区.这一阶段以定性和描述性研究为主.陈渭南等(1994)认为中国土壤风蚀科学研究在这一时期处于萌芽阶段.
2)定性研究阶段.20世纪50 ~60年代.我国学者钱宁和林秉南?杨郁华?梁式弘等先后翻译出版了拜格诺的 .风沙和荒漠沙丘物理学.?苏联兹纳门斯基的 .沙地风蚀过程的实验研究和沙堆防止问题.?雅库波夫的 .土壤风蚀及其防止 .等专著.并翻译了大量学术论文.这些专著和论文成为防沙治沙工程的重要理论指导.在此基础上.在风蚀活动的自然条件?风蚀地形发育以及风沙运动规律?防沙措施机制等方面开展了系统性研究.建立了一批实验站.重点结合大型工程建设任务开展了农田风蚀沙害?交通干道风蚀沙害的防沙治沙技术实验研究.该阶段仍以宏观调查和定性分析为主.1967年.中国科学院兰州冰川冻土沙漠研究所建成了我国第一座环境风洞.开启了我国风沙物理实验研究的新纪元.风蚀研究由定性研究向半定量?定量研究转变.
3)定量研究阶段.20世纪70 ~90年代.土壤风蚀的风洞实验研究迅速发展.1988年.中国科学院兰州沙漠研究所建成第二座沙风洞 ———土壤风蚀风洞.安置于中国科学院寒区旱区环境与工程研究所沙坡头沙漠实验研究站.方便野外研究.这一时期.风蚀的专项研究工作相继兴起和发展.研究方法包括

前言/序言

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