基于原位风沙流观测的广冲击角的溅射函数构建

doi:10.7522/j.issn.1000-694X.2024.00122

摘要/Abstract

摘要：

风沙流中沙粒与床面的相互作用机理是风沙物理学研究的关键问题。由于沙粒运动的复杂性，数值模拟的研究结果通常与实际情况存在较大差异，因此，以实验手段得到的击溅函数对于理解粒-床碰撞的物理过程具有重要意义。基于饱和风沙流内气流对碰撞过程的影响可以忽略不计的共识，学者们通过大量的无风碰撞实验进行击溅函数研究。然而，由于测量技术的限制，典型冲击角度（10°）下的粒-床碰撞过程的实测数据很少。鉴于数值模拟和无风碰撞实验都表明击溅函数对冲击角度较为敏感，基于高速摄影技术在风洞内获得了松散沙床表面大量冲击角在10°左右的粒-床碰撞过程，并结合前人沙粒离心发射器（冲击角20°~50°）的实验结果，构建了涵盖广泛冲击角度的溅射函数，这些函数能够适用于前人不同实验条件的风洞实验结果，这对未来的风沙物理学研究具有重要意义。

关键词: 击溅函数, 跃移运动, 风洞实验, 粒-床碰撞过程, 高速摄影技术

Abstract:

The interaction mechanism between sand particles and the bed surface in aeolian sand flow constitutes a key issue in aeolian physics research. Owing to the complexity of sand particle movement， the research results from numerical simulation typically deviate significantly from the actual situation. Consequently， the splash functions obtained through experimental means holds great significance for understanding the physical process of particle-bed collision. Based on the consensus that the influence of airflow in saturated aeolian sand flow on the collision process can be neglected， scholars conduct splash functions research by means of a large number of windless collision experiments. However， due to limitations in measurement technology， there are scarce measured data of the particle-bed collision process under the typical impact angle of 10°. Considering that both numerical simulation and windless collision experiments indicate that the splash functions are sensitive to the impact angle， a large number of particle-bed collision processes with an impact angle around 10° on the surface of a loose sand bed are obtained in a wind tunnel by utilizing high-speed photography technology. Combined with the experimental results of predecessors' sand grain centrifugal launcher （with an impact angle ranging from 20° to 50°）， the splash functions covering a wide range of impact angles are constructed. These functions can be applied to the wind tunnel experiment results of predecessors under different experimental conditions， which is of great significance for future research in aeolian physics.

Key words: splash functions, saltation movement, wind tunnel experiment, particle-bed collision process, high-speed photography technology

中图分类号:

X169

蒋缠文, 董治宝, 罗万银, 钱广强, 张正偲, 逯军峰, 王晓艳. 基于原位风沙流观测的广冲击角的溅射函数构建[J]. 中国沙漠, 2024, 44(5): 254-260.

Chanwen Jiang, Zhibao Dong, Wanyin Luo, Guangqiang Qian, Zhengcai Zhang, Junfeng Lu, Xiaoyan Wang. Constructing splash functions with a wide impact angle based on in-situ observation of aeolian sand flow[J]. Journal of Desert Research, 2024, 44(5): 254-260.

图/表 7

表1 实验条件

Table 1 Experiment conditions

实验组	沙样	颗粒粒径d/mm	剪切风速u_*/(m·s^-1)	最小临界起动风速u_*ti/(m·s^-1)	u_/u_ti	N_s0	N_s1	N_s2	N_s3	N_s4
G₁	自然沙	0.1~0.12	0.25	0.14	1.84	65	19	1	0	0
G₂	石英沙	0.1~0.2	0.26	0.16	1.63	79	23	7	3	1
G₃	石英沙	0.2~0.3	0.28	0.20	1.40	52	23	3	1	1
G₄	石英沙	0.3~0.4	0.31	0.24	1.29	36	13	1	0	0

图1 风洞实验布置

Fig.1 Layout of the wind tunnel experiment

图2 粒-床碰撞过程示意图注：vi和θi分别是入射速度和入射角度。vr和θr分别是反弹速度和反弹角度。vs和θs分别是溅射速度和溅射角度

Fig.2 Schematic diagram of the particle-bed collision process

图3 碰撞过程的冲击参数概率分布

Fig.3 Probability distribution of impact parameters in the collision process. A shows distribution of impact angles， and B shows distribution of standardized impact velocities

表2 全部碰撞过程的碰撞参数统计值

Table 2 Statistical values of collision parameters in all collision processes

组号	冲击角度/（°）		标准化冲击速度		恢复系数		反弹角度/（°）
组号	均值	标准差	均值	标准差	均值	标准差	均值	标准差
1	10.53	3.06	16.30	4.65	0.69	0.26	25.27	17.16
2	9.07	3.04	31.89	5.85	0.63	0.24	23.46	26.65
3	8.03	2.51	65.63	19.42	0.63	0.19	27.38	31.57

表3 引起溅射的碰撞过程的碰撞参数统计

Table 3 Statistical values of collision parameters in collision processes generated splash particles

组号	冲击角度/（°）		标准化冲击速度		标准化溅射速度		溅射角度/（°）		溅射颗粒数
组号	均值	标准差	均值	标准差	均值	标准差	均值	标准差	均值	标准差
1	10.09	2.41	33.28	9.26	6.55	5.31	26.75	22.66	1.08	0.35
2	8.63	2.49	74.56	21.41	9.59	5.57	31.28	22.19	1.46	0.80

图4 冲击角度为10°时本研究得到的击溅函数与Chen等［17］的击溅函数比较

Fig.4 Comparison of the splash functions obtained in this study with that of Chen et al.［17］ when the impact angle is 10°

参考文献 20

1	Bagnold R A.The Physics of Blown Sand and Sand Dunes［M］.New York，USA：William Morrow，1941.
2	Chepil W S.Dynamics of wind erosion：nature of soil movement by wind［J］.Soil Science，1945，60：305-320.
3	Owen P R.Saltation of uniform grains in air［J］.Journal of Fluid Mechanics，1964，20：225-242.
4	Neuman C M， Nickling W G.Momentum extraction with saltation：implications for experimental evaluation of wind profile parameters［J］.Boundary-Layer Meteorology，1994，68：35-50.
5	张正偲，潘凯佳，张焱，等.中国西北戈壁区沙尘暴过程中近地层风沙运动特征［J］.中国沙漠，2023，43（2）：130-138.
6	张正偲，潘凯佳，梁爱民，等.戈壁沙尘释放过程与机理研究进展［J］.地球科学进展，2019，34（9）：891-900.
7	郑晓静，王萍.风沙流中沙粒随机运动的数值模拟研究［J］.中国沙漠，2006，26（2）：184-188.
8	Ungar J E， Haff P K.Steady state saltation in air［J］.Sedimentology，1987，34（2）：289-299.
9	Anderson R S， Haff P K.Wind modification and bed response during saltation of sand in air［J］.Acta Mechanica，1991，1：21-51.
10	Dong Z B， Liu X P， Li F，et al.Impact-entrainment relationship in a saltating cloud［J］.Earth Surface Processes and Landforms，2002，27（6）：641-658.
11	Cheng H， Zou X Y， Zhang C L.Probability distribution functionss for the initial liftoff velocities of saltating sand grains in air［J］.Journal of Geophysical Research，2006，111：D22205.
12	Gordon M， Neuman C M.A comparison of collisions of saltating grains with loose and consolidated silt surfaces［J］.Journal of Geophysical Research，2009，114（F4）：F04015.
13	Anderson R S， Haff P K.Simulation of eolian saltation［J］.Science，1988，241（4867）：820-823.
14	Rioual F， Valance A， Bideau D.Experimental study of the collision process of a grain on a two‐dimensional granular bed［J］.Physical Review E，2000，62（2）：2450-2459.
15	Rioual F， Valance A， Bideau D.Collision process of a bead on a two-dimensional bead packing：importance of the inter-granular contacts［J］.Europhysics Letters，2003，61（2）：194-200.
16	Beladjine D， Ammi M， Oger L，et al.Collision process between an incident bead and a three‐dimensional granular packing［J］.Physical Review E，2007，75（6）：61305.
17	Chen Y， Zhang J， Huang N，et al.An experimental study on splash functionss of natural sand-bed collision［J］.Journal of Geophysical Research：Atmospheres，2019，121（14）：7226-7235.
18	Zhang C， Huang N， Dun H C.Experimental study on sand/bed collision over the gobi surface［J］.Journal of Geophysical Research：Atmospheres，2022，127：JD035766.
19	蒋缠文，王晓艳.稳态风沙流沙粒起跳速度概率分布模型［J］.干旱区研究，2023，40（9）：1382-1390.
20	Jiang C W， Parteli E J， Dong Z B，et al.Wind-tunnel experiments of aeolian sand transport reveal a bimodal probability distribution functions for the particle lift-off velocities［J］.Catena，2022，217：106496.

[1]	蒋缠文, 董治宝, 罗万银, 钱广强, 张正偲, 逯军峰, 王晓艳. 基于数字化轨迹的跃移粒子群速度剖面研究[J]. 中国沙漠, 2024, 44(6): 231-239.
[2]	王仁德, 蒋红军, 李庆, 付刚, 李玉强, 苑依笑, 常春平, 郭中领. 土壤粉尘释放能力与土壤性质关系的初步研究[J]. 中国沙漠, 2024, 44(1): 43-49.
[3]	张萌, 亢力强, 王晓美. 交错和矩形布置对树状植被地表剪应力和输沙率的影响[J]. 中国沙漠, 2024, 44(1): 50-60.
[4]	梅凡民, 王姗, 唐丽萱, 苏进. 一个基于粗糙元方向比率和空气动力学粗糙度的起动摩阻风速模式[J]. 中国沙漠, 2020, 40(6): 98-104.
[5]	亢力强, 李彩云, 张军杰, 邹学勇. 柔性植株地表瞬时地表剪应力分布特征[J]. 中国沙漠, 2020, 40(5): 49-56.
[6]	肖锋军, 董治宝, 郭烈锦, 王跃社, 李德标. 风沙流中跃移沙粒冲击速度和角度联合概率分布风洞实验[J]. 中国沙漠, 2020, 40(3): 127-134.
[7]	亢力强, 杨智成, 张军杰, 邹学勇, 张文. 两种柔性植株地表风速廓线特征比较的风洞模拟[J]. 中国沙漠, 2020, 40(2): 43-49.
[8]	亢力强, 高咏晴, 张文, 邹学勇. 稳态风沙流中瞬态输沙特征[J]. 中国沙漠, 2020, 40(1): 166-172.
[9]	李晓烨, 王克俭, 谷建才, 刘启国, 崔严. 不同结构林带防风效能风洞模拟[J]. 中国沙漠, 2019, 39(6): 118-125.
[10]	杨彩红, 冯福学, 柴强, 耿艳香, 伏星舟. 小麦玉米田耕作模式的防风蚀效果[J]. 中国沙漠, 2019, 39(4): 9-15.
[11]	李雪琳, 马彦军, 马瑞, 张莹花, 唐卫东, 杨进杰. 不同带宽的防风固沙林流场结构及防风效能风洞实验[J]. 中国沙漠, 2018, 38(5): 936-944.
[12]	谭凤翥, 王雪芹, 王海峰, 徐俊荣, 袁鑫鑫. 柽柳灌丛沙堆三维流场随背景植被变化的风洞实验[J]. 中国沙漠, 2018, 38(1): 48-57.
[13]	亢力强, 张军杰, 邹学勇, 张春来, 程宏. 风沙流起动阶段沙粒输运特征[J]. 中国沙漠, 2017, 37(6): 1051-1058.
[14]	蒋缠文, 董治宝, 王晓艳. 基于高速摄影技术的风沙流输沙通量剖面的风洞实验测量[J]. 中国沙漠, 2016, 36(5): 1230-1237.
[15]	刘海霞, 李晋昌, 苏志珠, 杜自强, 高婧. 毛乌素沙地西南缘灌丛沙丘沉积物的粒度和元素特征[J]. 中国沙漠, 2015, 35(1): 24-31.