戈壁风沙运动及其对下垫面砾石盖度影响的风洞模拟

doi:10.7522/j.issn.1000-694X.2024.00036

摘要/Abstract

摘要：

通过风沙环境风洞模拟测定不同风速、不同砾石盖度下戈壁近地表风沙流输沙量、风沙流结构和粒度特征，分析床面砾石盖度在不同风速下的变化规律，揭示戈壁地表风沙运动及其对下垫面砾石盖度变化影响。结果表明：（1）将床面砾石盖度以12%为界分为低、高盖度，低砾石盖度高风速下（18~24 m·s^-1）戈壁地表输沙量随风速变化明显，输沙量曲线出现拐点，呈“象鼻效应”，随风速增加拐点上移，砾石盖度越小输沙廓线曲率越大，相较于高风速，低风速下（6~18 m·s^-1）戈壁地表输沙量大小变化不明显，说明低砾石盖度下输沙量变化主要受风速调控，高砾石盖度对风沙流有抑制作用。（2）随床面砾石盖度增加，输沙粒度频率分布曲线有下移趋势，砾石盖度对输沙颗粒频率分布规律影响较小，均表现为单峰分布，只对曲线峰值粒径所占质量百分含量有所影响，说明风速一定时，风沙流中输沙颗粒粒度分布受砾石盖度影响较小。（3）在风沙运动过程中，随作用风速增大，戈壁床面砾石盖度呈线性增加，且二者呈线性强相关，高风速下不同盖度变化量大于低风速下盖度变化量。

关键词: 风洞模拟, 戈壁, 风沙运动, 下垫面, 砾石盖度

Abstract:

In this paper， the wind-sand environment wind tunnel simulation was used to measure the sand transport volume， wind-sand flow structure and particle size characteristics of the near-surface wind-sand flow in the gobi under different wind speeds and different gravel coverages. The variation law of gravel coverage on the bed surface under different wind speeds was analyzed to reveal the wind-sand movement on the gobi surface and its influence on the change of gravel coverage on the underlying surface. The results show that：（1） The bed gravel coverage is divided into low and high coverage with 12% as the boundary. Under low gravel coverage and high wind speed （18-24 m·s^-1）， the surface sediment transport volume of gobi changes obviously with wind speed， and the inflection point of sediment transport curve appears as " elephant trunk " effect. With the increase of wind speed， the inflection point moves up， and the smaller the gravel coverage， the greater the curvature of sediment transport profile. Compared with high wind speed， the change of surface sediment transport volume of gobi under low wind speed （6-18 m·s^-1） is not obvious， indicating that the change of sediment transport volume under low gravel coverage is mainly controlled by wind speed， and high gravel coverage has an inhibitory effect on wind sand flow. （2） With the increase of gravel coverage on the bed surface， the frequency distribution curve of sediment transport particle size has a downward trend. The gravel coverage has little effect on the frequency distribution of sediment transport particles， which shows a single peak distribution and only affects the mass percentage of the peak value of the curve. It shows that when the wind speed is constant， the particle size distribution of sediment transport particles in wind-blown sand flow is less affected by gravel coverage. （3） In the process of wind-sand movement， the gravel coverage of gobi bed increases linearly with the increase of wind speed， and there is a strong linear correlation between them. The variation of different coverage under high wind speed is greater than that under low wind speed.

Key words: wind tunnel simulation, gobi, wind-sand movement, underlying surface, gravel coverage

中图分类号:

K903

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图/表 8

图1 风洞实验测试段布置示意图

Fig.1 Arrangement diagram of test section in wind tunnel test

图2 采用ImageJ进行颗粒面积量测示意图

Fig.2 ImageJ was used to measure the particle area

图3 不同砾石盖度床面在不同风速下输沙廓线

Fig.3 The sediment transport profiles of different gravel coverage beds under different wind speeds

图4 不同砾石盖度床面在不同风速下总输沙量变化曲线

Fig.4 The total sediment transport curve of different gravel coverage bed under different wind speed

图5 不同砾石盖度床面风沙流输沙粒度频率分布及累积频率分布曲线

Fig.5 The particle size frequency distribution and cumulative frequency distribution curves of wind-sand flow on different gravel coverage beds

图6 不同砾石盖度床面在不同风速下风沙流输沙粒度参数注：2.24%砾石盖度6 m·s-1、17.53%砾石盖度6、8 m·s-1和43.96%砾石盖度6、8、10 m·s-1运动风沙量很少，未测定其粒度参数

Fig.6 The particle size parameters of wind-sand flow on different gravel coverage beds under different wind speeds

图7 不同初始砾石盖度下的砾石盖度随风速变化特征

Fig.7 Variation characteristics of gravel coverage underdifferent wind-sand movements

表1 不同初始砾石盖度下砾石盖度（ y ）和风速（ x ）的拟合关系式

Table 1 Fitting relationship between gravel coverage and wind speed

初始砾石盖度/%	关系式	R²
0.15	y=1.08x+38.05	0.96208
2.24	y=1.64x+7.21	0.99630
6.53	y=1.24x+5.67	0.98001
12.94	y=1.29x-1.12	0.99933
17.53	y=1.50x-7.21	0.99462
43.96	y=0.64x-3.47	0.99121

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