叢順，李正農(nóng)，宮博，黃斌，趙愛國

(1. 湖南大學(xué) 建筑安全與節(jié)能教育部重點實驗室，長沙 410082；2. 中國科學(xué)院 太陽能熱利用及光伏系統(tǒng)重點實驗室，北京 100190；3. 中國科學(xué)院 寒區(qū)旱區(qū)環(huán)境與工程研究所，蘭州 730000)

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，在整個風(fēng)沙學(xué)科中占有極其重要的地位，因而半個多世紀(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)實踐的目標(biāo)還有一段距離，還有許多工作要做。與其他國家相比，中國風(fēng)沙流研究稍顯薄弱，這與中國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)沙運動規(guī)律研究的重點，對沙塵暴氣候以及常態(tài)風(fēng)挾沙環(huán)境下沙塵啟動機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)洞試驗作為風(fēng)沙物理學(xué)發(fā)展的技術(shù)支撐，在試驗手段和內(nèi)容上都有了長足的進(jìn)步，如風(fēng)速廓線皮托管、風(fēng)洞多路集沙儀等風(fēng)洞試驗儀器的發(fā)展都有效地推動了風(fēng)洞試驗的進(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)沙流場中顆粒濃度和輸運通量沿高度的分布規(guī)律，并針對負(fù)指數(shù)分布是經(jīng)驗規(guī)律這一事實，對現(xiàn)階段常用的理論模型和測算顆粒濃度的方法進(jìn)行了討論，指出引進(jìn)更高精度實驗測試手段的必要性。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)合已有的實測輸沙率資料，對形式各異的輸沙率公式進(jìn)行了系統(tǒng)比對，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。王洪濤等[11]通過粒子圖像測速技術(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，其難點在于風(fēng)沙流中沙粒的運動對它的改變[12-15]。黃寧等[16]、張克存等[17]對戈壁地表風(fēng)沙流進(jìn)行了風(fēng)洞模擬試驗，討論分析了戈壁地表對氣流紊動的影響效應(yīng)，以及對風(fēng)沙流結(jié)構(gòu)和風(fēng)沙活動層內(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)躍移顆粒對氣流產(chǎn)生的阻力，建立了風(fēng)沙兩相流場相互作用的數(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)洞試驗結(jié)果進(jìn)行了對比。王洪濤等[19]對不同學(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。亢力強等[20]采用相位多普勒粒子分析儀測量了風(fēng)沙兩相流動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)場監(jiān)測手段主要側(cè)重于沙顆粒輸移特性，缺少沙顆粒運動對不同高度處風(fēng)速和湍流強度的具體影響程度。已進(jìn)行的風(fēng)沙風(fēng)洞試驗沒有對實際沙漠地區(qū)的湍流特性進(jìn)行模擬，結(jié)果與實際情況存在一定偏差，對風(fēng)沙運動規(guī)律的描述不夠充分和準(zhǔn)確。數(shù)值模擬計算中，邊界條件選擇、網(wǎng)格劃分以及兩相流模型的選取等均會直接影響到數(shù)值分析結(jié)果，因此，需要更符合實際情況的風(fēng)洞試驗予以論證。為此，筆者在以往研究經(jīng)驗的基礎(chǔ)上，專門針對特定沙漠地貌進(jìn)行了現(xiàn)場勘察和實測，在后續(xù)相關(guān)的風(fēng)沙風(fēng)洞試驗中，以這種實際沙漠地貌風(fēng)場特征為依托并進(jìn)行調(diào)試。重點研究了風(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度隨高度的變化情況；對比分析了凈風(fēng)場和多種落沙條件下風(fēng)沙流場的風(fēng)速剖面與湍流強度的不同。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。

1 試驗概況

1.1 風(fēng)沙風(fēng)洞簡介

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

由于傳統(tǒng)風(fēng)洞試驗室較難實現(xiàn)風(fēng)沙環(huán)境的模擬，因此，開展風(fēng)沙試驗需要對傳統(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)場測試儀和沙?；厥昭b置等設(shè)備[22]。試驗研究在中國科學(xué)院電工研究所進(jìn)行過風(fēng)沙試驗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，是一座單試驗段風(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60 m，試驗段長度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°的擴散角，該風(fēng)洞試驗段風(fēng)速為1.5～30 m/s連續(xù)可調(diào)。

圖1 邊界層風(fēng)洞

1.2 風(fēng)沙流場建立

為了貼合實際，并能夠指導(dǎo)后續(xù)工程結(jié)構(gòu)的抗風(fēng)沙設(shè)計，在試驗研究初期建立了風(fēng)沙兩相流運動的風(fēng)洞試驗相似準(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)運動，來模擬自然界平坦沙床表面處于動態(tài)平衡狀態(tài)下的風(fēng)沙運動過程。這是因為自然界中的風(fēng)沙傳輸運動是大范圍的，其形成與發(fā)展過程長期并且復(fù)雜，要進(jìn)行全過程模擬比較困難，因此，需要加以簡化，進(jìn)行近似。測試分析表明，該相似準(zhǔn)則能夠準(zhǔn)確模擬相應(yīng)比例的風(fēng)沙流場。

基于沙漠地區(qū)特別的地貌環(huán)境，其近地面風(fēng)沙流場存在特殊性，研究組在風(fēng)洞試驗前期進(jìn)行了西北內(nèi)陸典型沙漠地區(qū)的現(xiàn)場勘察和實測。實測地點選址于寧夏中衛(wèi)市騰格里沙漠東南部邊緣的一片空曠風(fēng)沙觀測場，利用現(xiàn)場實測的方法獲取了近地面約10 m高度范圍內(nèi)的風(fēng)場特性，圖2(a)、(b)分別為實測風(fēng)場的相對風(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，實際沙漠風(fēng)場特征已偏離標(biāo)準(zhǔn)的A類地貌，由于其實際地貌特征和流場特性的差異，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。筆者以這種實際的沙漠地貌特性來指導(dǎo)風(fēng)沙風(fēng)洞試驗。

圖2 實測風(fēng)場特性

基于現(xiàn)場實測結(jié)果，風(fēng)洞試驗風(fēng)沙流場對應(yīng)的幾何縮尺比選為1∶ 10。風(fēng)場調(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)場實測結(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)沙流場特性的研究奠定了基礎(chǔ)。

1.3 風(fēng)沙流場測試技術(shù)

為了建立類似沙塵暴氣候條件下的風(fēng)沙流場，試驗開始前，對風(fēng)洞進(jìn)行相應(yīng)的升級改造(圖4)。在風(fēng)洞試驗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。在漏斗位置處，通過控制漏沙孔的數(shù)量與落沙時間來調(diào)整進(jìn)入實驗段的沙量；在一定風(fēng)速下，經(jīng)過實驗段較長距離的擴散，風(fēng)吹落沙能夠在試驗測試位置處形成質(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。

圖3 風(fēng)速剖面和湍流度剖面

圖4 風(fēng)沙流場落沙裝置

風(fēng)沙兩相流場環(huán)境不同于常規(guī)凈風(fēng)場環(huán)境，常見的三維脈動風(fēng)速測試儀和熱線風(fēng)速儀不適用，因此，需要專門用于風(fēng)沙試驗的防沙風(fēng)速廓線測試儀。試驗過程中，風(fēng)速測試裝置由中國科學(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，防止了大簇走線對風(fēng)場特性的影響并起到防沙的作用。風(fēng)場穩(wěn)定后，通過裸露在外的與流場方向平行的感應(yīng)探針可以直接采集測試位置處的風(fēng)速值，并能夠精確到0.001 m/s，但不能直接測量湍流強度，湍流強度通過各高度處采集到的風(fēng)速樣本值進(jìn)行計算，即采集時段內(nèi)風(fēng)速的標(biāo)準(zhǔn)差與平均值之比。該測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)沙試驗過程中，集沙儀由中國科學(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)沙流場不同高度處的沙質(zhì)量濃度分布情況。該梯度集沙測試儀安裝在試驗段中部，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20 mm的正方形，并連通一個集沙盒，最終可收集50個梯度高度處的集沙量，如圖5(b)所示。測試完成后，用千分位(0.001 g)的電子天平對每個集沙盒內(nèi)沙量分別進(jìn)行稱重，通過計算后可以得到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。

圖5 風(fēng)沙流場設(shè)備

圖6 試驗裝置布置

1.4 沙質(zhì)量濃度計算

氣流在單位時間內(nèi)通過單位面積所搬運的沙量，叫做風(fēng)沙流的輸沙通量，簡稱為輸沙率[24-25]。輸沙率的計算式為

q(z)=Q(z)/(tA0)

(1)

式中：q(z)為高度z處的輸沙率，g/(cm2·s)；Q(z)為集沙測試儀在高度z處的集沙量，g；t為集沙時間，s；A0為集沙測試儀的每一路通道的進(jìn)沙孔截面積，cm2。

沙質(zhì)量濃度是在輸沙率的計算中同時考慮了風(fēng)速存在的影響。對采集到的梯度集沙儀50路通道的集沙量分別進(jìn)行稱重，然后，通過式(2)計算可以得到1 m高度范圍內(nèi)50個高度處的沙質(zhì)量濃度。沙質(zhì)量濃度的計算式為

w(z)=Q(z)/(tA0VH)

(2)

式中：w(z)為高度z處的沙質(zhì)量濃度，g/m3；VH為試驗參考高度處的平均風(fēng)速，m/s。

2 數(shù)據(jù)處理結(jié)果

2.1 風(fēng)沙流場的沙質(zhì)量濃度

倪晉仁等[26]通過對風(fēng)沙流進(jìn)行長期的系統(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，研究不同風(fēng)速下的風(fēng)沙流動特性，落沙試驗總共選用了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),分別模擬了實際沙塵天氣中的浮塵、揚沙、沙塵暴、強沙塵暴和特強沙塵暴5種強度類似沙塵暴環(huán)境的不同沙濃度工況。試驗用沙取自現(xiàn)場實測位置處的騰格里沙漠，平均粒徑為0.375 mm左右，試驗前用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，依次計算出對應(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，轉(zhuǎn)折點比較明顯，大概在0.2～0.4 m之間。在風(fēng)速較小時，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，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動過程中，會受到重力的作用而下沉，在風(fēng)速較大時，沙子水平運動速度增大，脈動也較明顯，因此，上部被吹起的沙子也會增多，在到達(dá)風(fēng)洞測試位置處，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，3種風(fēng)速下沙質(zhì)量濃度隨高度的變化趨勢不同，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孔落沙時規(guī)律比較明顯，交叉點大概出現(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，對應(yīng)的沙質(zhì)量濃度總體上有減小的趨勢。輸沙率的改變在3種風(fēng)速下對沙質(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。

圖7 沙質(zhì)量濃度垂直分布曲線

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3個高度(0.09、0.49、0.89 m)分別對應(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)速時濃度相對最大；中部0.49 m處的濃度基本都是在風(fēng)速為13 m/s時最大；高處0.89 m處的濃度在輸沙率較小時于13 m/s時最大，在輸沙率變大時逐漸轉(zhuǎn)化為在16 m/s時最大。在風(fēng)速為10 m/s時，中部的質(zhì)量濃度都大于高處；在風(fēng)速為16 m/s時，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，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>

圖8 同一高度沙質(zhì)量濃度隨風(fēng)速的變化曲線

2.2 風(fēng)沙流場的風(fēng)速剖面

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

圖9 風(fēng)沙流場的風(fēng)速剖面與湍流強度

比較圖9(a)、(b)、(c)可知，沙顆粒的運動對風(fēng)速剖面有一定影響，與凈風(fēng)場相比，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)行計算，見表1～表3。

表1 風(fēng)速10 m/s不同孔數(shù)落沙時的風(fēng)速剖面削弱程度Table 1 Wind profile weakening degree of wind speed 10 m/s in different hole numbers

表2 風(fēng)速13 m/s不同孔數(shù)落沙時的風(fēng)速剖面削弱程度

表3 風(fēng)速16 m/s不同孔數(shù)落沙時的風(fēng)速剖面削弱程度

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孔落沙時在不同風(fēng)速下的各高度處風(fēng)速削弱值進(jìn)行統(tǒng)計分析，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)，變化趨勢基本一致，其他孔數(shù)落沙時規(guī)律也類似?？傮w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，由于沙質(zhì)量濃度隨高度的增加而減小，沙顆粒運動對風(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，0.2～1 m高度范圍內(nèi)的濃度隨高度的增加而增大，此時沙顆粒運動對風(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，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，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，對應(yīng)的沙質(zhì)量濃度總體上會有減小的趨勢，因此，其對整體風(fēng)速剖面的平均削弱程度就會變小。

圖10 不同高度處風(fēng)速的減小值

2.3 風(fēng)沙流場的湍流強度

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

表4 風(fēng)速10 m/s不同孔數(shù)落沙時的湍流強度增大程度

表5 風(fēng)速13 m/s不同孔數(shù)落沙時的湍流強度增大程度

表6 風(fēng)速16 m/s不同孔數(shù)落沙時的湍流強度增大程度

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孔落沙時在不同風(fēng)速下的各高度處湍流強度增大值進(jìn)行統(tǒng)計分析，見圖11。與圖7(e)、(h)比較可知，各高度處湍流強度的影響程度與沙質(zhì)量濃度的垂向分布特征有關(guān)，變化趨勢基本一致，其他孔數(shù)落沙時規(guī)律也類似。與風(fēng)速剖面的變化規(guī)律相同，總體表現(xiàn)為湍流強度的增強程度隨落沙孔數(shù)的增多而顯著，濃度大的高度處湍流強度增強的幅度也越大。在風(fēng)速較小時，由于沙質(zhì)量濃度隨高度的增加而減小，沙顆粒運動對湍流強度的增強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，底部湍流強度的增強程度也較大。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，0.2～1 m高度范圍內(nèi)的濃度隨高度的增加而增大，此時，沙顆粒運動對湍流強度的增強程度也隨高度的增加而略有增大；與此同時，0～0.2 m高度范圍內(nèi)的濃度依然隨高度的增加而減小，其對湍流強度的增強程度也剛好相反，只是相比較低風(fēng)速而言，增強的幅度不大。

圖11 不同高度處湍流強度的增大值

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

3 結(jié)論

通過對類似沙塵暴氣候條件下的風(fēng)沙兩相流耦合流場進(jìn)行風(fēng)洞試驗?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不同，大概在0.4 m處存在明顯交叉點。相同落沙的情況下，風(fēng)速越大，對應(yīng)的沙濃度總體上有減小的趨勢。

3)風(fēng)沙流場中，沙顆粒的運動對風(fēng)速有一定的削弱作用。風(fēng)場中沙質(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)場相比，沙顆粒的存在對湍流強度有影響，具體表現(xiàn)為沙顆粒運動對湍流強度有一定的增強作用。與風(fēng)速剖面的影響規(guī)律相類似，這種增強程度隨沙濃度的增大而顯著。