引用本文
樊瑞静, 李生宇, 周杰, 王海峰. 不同外形粗糙元覆盖沙床面抗风蚀效益的风洞模拟实验[J]. 地球科学进展, 2017, 32(1): 83-89.
Fan Ruijing, Li Shengyu, Zhou Jie, Wang Haifeng. .Wind Tunnel Experiment of Anti-erosion Efficiency on the Sand Beds Coverd by Different Shapes of Roughness-Elementes[J]. Advanced Earth Science, 2017, 32(1): 83-89.  
Doi:10.11867/j.issn.1001-8166.2017.01.0083
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Copyright©2017, 地球科学进展 编辑部
不同外形粗糙元覆盖沙床面抗风蚀效益的风洞模拟实验
樊瑞静1,2, 李生宇1*,*, 周杰1,2, 王海峰1
1.中国科学院新疆生态与地理研究所,新疆 乌鲁木齐 830011
2.中国科学院大学,北京 100049
*通信作者:李生宇(1975-),男,河北宣化人,副研究员,主要从事风沙地貌与风沙治理研究.E-mail:lishy_hb@163.com

作者简介:樊瑞静(1990-),女,河南安阳人,硕士研究生,主要从事风沙地貌及荒漠化防治研究.E-mail:frj66xmn@163.com

基金资助:*国家自然科学基金面上项目“塔克拉玛干沙漠腹地垄间平地沙粒胶结体对沙面蚀积过程的影响及作用机制”(编号:41571011)资助.
摘要

为了探明沙面粗糙元覆盖物的几何外形对地表风沙活动的抑制作用关系,用球形、三棱锥形、圆柱形、正方体形、饼形和半球形6种外形的粗糙元(自制,保持单颗粒等质量)覆盖(盖度10%)流沙面,分别在净风和挟沙风条件下进行风洞模拟实验。结果表明:①净风条件下,球形、三棱锥形、圆柱形和正方体形粗糙元覆盖床面的风蚀量明显小于饼形和半球形覆盖床面,正方体形、圆柱形、三棱锥形和球形的抗风蚀效率也较饼形和半球形好;②挟沙风条件下,随着风速的增加,球形、三棱锥形、圆柱形覆盖沙面由风积向风蚀转化,风蚀量随风速增大而增大,当风速大于10 m/s,床面均表现为强烈侵蚀,其中饼形和半球形阻沙功能较弱,两者风蚀率最大;③无论是净风,还是挟沙风条件,床面风蚀量均受粗糙元的方向比率、高度和间距等因素的影响,相同覆盖度下,细高、有明显边界的粗糙元防护效果好于粗矮的粗糙元。

关键词: 几何外形; 粗糙元; 风蚀; 风洞实验
中图分类号:P931.3 文献标志码:A 文章编号:1001-8166(2017)01-0083-07
Wind Tunnel Experiment of Anti-erosion Efficiency on the Sand Beds Coverd by Different Shapes of Roughness-Elementes
Fan Ruijing1,2, Li Shengyu1,*, Zhou Jie1,2, Wang Haifeng1
1.Xinjiang Institute of Ecology and Geography, Chinese Academy of Sciences, Urumqi 830011, China
2.University of Chinese Academy of Sciences, Beijing 100049, China

First author:Fan Ruijing(1990-),female,Anyang City, He’nan Province,Master student. Research areas include sandy landform and desertification control.E-mail:frj66xmn@163.com

*Corresponding author:Li Shengyu(1975-),male, Xuanhua City, Hebei Province, Associate Professor. Research areas include sandy landform and desertification control.E-mail:lishy_hb@163.com

Fund:Project supported by the National Natural Science Foundation of China “Impact and mechanism of the hinterland of Taklimakan Desert sand bodies on sand erosion process”(No.41571011).
Abstract

In order to study the relationship between the shapes of roughness-elements on sand beds and the surface sand activity inhibition, we chose six shapes of elements including spherical, triangular pyramid shape, cylindrical, square shape, pie and hemispherical shape by hand with equal quality kept. We carried out the experiment with the 10% coverage on the wind tunnel. The results revealed that ① the erosion and anti-erosion rate of spherical, triangular pyramid shape, cylindrical and square roughness-elements were better than the pie and hemispherical on the non-sand wind; ② On the sand-driving wind conditions, spherical, triangular, cylindrical covered beds became erosion to erosion-deposition with the increase of wind speed, and the erosion rate was increased with the wind speed. When the wind speed was more than 10 m/s, the sand-beds showed a strong erosion, and the pie and hemispherical elements’ resistance function were weakest; ③ No matter the non-sand wind or sand wind, the erosion rate was affected by the elements’ aspect ratio, height and spacing. The slender elements with a prominent upper edge were clearly superior to broad rounded elements.

Keyword: Geometric shape; Rughness-elements; Wind erosion; Wind tunnel experiment.
1 引 言

我国西北沙区植被稀疏, 土壤结构松散, 地表风蚀强烈, 风沙灾害是制约当地社会经济发展的主要障碍。邹学勇等[1]对土壤风蚀模型中的影响因子进行研究概述得出, 粗糙元因子可分离地表的剪切力, 减缓地表风力。目前国内外对采用砾石覆盖床面的方法来抑制风沙运动已有较多研究, 地表覆盖砾石不仅能够降低地表风蚀强度, 还能有效降低地表沙尘释放, 砾石覆盖成为一种实用的防沙措施, 并明确了最佳防护效益所需的砾石覆盖度及床面最优配置[1~7]。学者们还确定了砾石覆盖床面空气动力学粗糙度和粗糙元几何参数间的定量关系, 量化了砾石形状参数, 并通过对床面临界摩阻速度来研究地表风蚀情况, 发现粗糙元的几何外形、盖度、直径、高度和间距比等都直接影响了床面的空气动力学粗糙度和风速廓线[8~11]。梅凡民等[12]研究了床面空气动力学性质对沙粒能量传递和跃移起动的影响, 以及粗糙元几何参数的交互作用对空气动力学粗糙度的影响, 并建立了几何参数(高度h、高度间距比、方向比率AR等)与粗糙度的定量关系[13]。目前关于方向比率与粗糙度之间定量关系的研究结果还不尽一致。王晓等[14]采用数值模拟的方法, 对不同外形的粗糙元覆盖床面的粗糙度和风速廓线进行了研究, 探讨了风速与空气动力学粗糙度、摩阻速度之间的定量关系, 发现砾石高度对床面空气动力学粗糙度的影响大于直径。近年来, 在流体力学湍流结构的研究上也取得了许多重要的进展, 确定了4种主要的拟序结构[15~17]。

综上所述, 大多数研究都是集中于防护效益最佳情况下所需粗糙元的密度, 以及从动力学方面探讨粗糙元某个参数对床面空气动力学粗糙度或风速廓线的影响, 鲜有将粗糙元外形与防沙实践结合起来。本文拟通过室内风洞, 在不同沙源供给和风速条件下, 研究几种规则几何外形的粗糙元覆盖床面的防风蚀效率, 旨在探讨不同几何外形的粗糙元对床面蚀积过程的影响, 并为防沙措施优化提供理论依据。

2 实验设计与方法

风洞实验的基础应满足绕模型的流动和绕原型的流动相似, 流动相似有五大要素:几何相似、运动相似、质量相似、动力相似和热力相似。针对上述对风洞实验模型相似条件的要求, 本文选取实验模型基本满足相似条件。几何相似方面:考虑到风洞湍流附面层与地球贴地边界层的尺度之比, 和模型一般不超过6% 阻塞度以避免洞壁干扰的要求, 采用的实验模型高度为1 cm, 与野外部分砾石的直径和高度较接近, 满足上述要求; 运动相似方面:主要考虑流态和风速廓线相似, 流态相似要求考虑雷诺数Re, 该风洞在试验风速下Re≈ 105~106, 流态为完全湍流, 可达到自模拟要求, 经实验验证, 风洞内风速廓线满足对数分布; 动力相似方面:风洞中无温度层结控制装置, 仅模拟中性层结条件, 本实验不涉及自由表面流动, 弗劳德数Fr相似可不予考虑。因此, 本试验基本满足几何相似、运动相似、动力相似条件。对于粗糙元周围微观尺度的流场由于设备有限无法完成。

2.1 实验设计

本实验所用风洞位于中国科学院新疆生态与地理研究所莫索湾沙漠研究站。该风洞为室内直流吹气式风洞, 实验段截面1.3 m× 1.0 m, 长8 m, 实验风速5~20 m/s连续可调。

实验包括无沙源供给(净风)实验和有沙源供给(风沙流)实验。实验选取4组自由风速(8, 10, 12和14 m/s), 采集时间分别为10, 5, 3和2 min。实验沙取自塔克拉玛干沙漠腹地的流动风沙土, 机械组成以细沙和极细沙为主。

实验模型选择了球形、三棱锥形、圆柱形、正方体形、饼形和半球形6种形状。模型制作在实验室内完成, 模型材料为湿润胶泥。称取等质量的黏土泥(为了保持不同外形的单个颗粒干重基本相同)将其塑形, 于干燥通风处自然晾干。晾干后称得模型的质量(m), 测量模型的边长(l)、高度(h)和直径(d), 计算出每种模型的比表面积(S)和方向比率(AR)。比表面积计算方法为模型的表面积和质量之比, 即S=S表/m。参考前人关于砾石覆盖防风蚀的研究成果, 选取使得相邻粗糙元间交互影响较弱的覆盖度, 即10%。覆盖度计算方式采用颗粒垂直投影方法Gd=Sb/c× 100%, Sb为粗糙元在沙面的垂直投影, c为实验沙盘面积。各粗糙元的几何特征参数如表1所示。

表1 不同外形粗糙元几何参数特征 Table 1 The parameters of roughness-elements with different shapes

实验沙盘为长方形, 长47 cm、宽33 cm、深5 cm。用实验沙将沙盘装满, 把沙面刮平, 在沙面上随机放置粗糙元(尽量保持均匀分布), 相同覆盖度下每个沙盘中各种外形粗糙元放置个数不同, 球形、三棱锥形、圆柱形、正方体形、饼形、半球形放置个数分别为176, 194, 162, 187, 105和111。在风洞实验段中央底板上开洞放置沙盘, 使沙盘上沿与底板平齐。外来供给沙源位于实验沙盘上风向1 m处, 铺设长2.5 m、宽0.5 m、厚0.02 m的沙床面。实验吹蚀前后分别对沙盘称重(吹蚀前计为Wb, 吹蚀后计为Wa), 同时对沙盘拍照(图1)。

2.2 风蚀率和抗风蚀率的计算

风蚀率(R)由单位时间单位面积内沙样质量变化来表示:

R=(Wb-Wa)/(S× T)

式中:Wb和Wa分别为沙样吹蚀前后的质量, S为沙样面积, T为吹蚀时间。

抗风蚀效率(I)是指粗糙元覆盖沙面的风蚀率降低量与对照组(CK)风蚀率之比:

I=(RCK-Ri)/RCK=1-RCK/Ri

式中:RCK为对照组风蚀率, Ri为不同外形粗糙元覆盖沙面的风蚀率。

图1 净风8 m/s时不同外形粗糙元覆盖沙盘吹蚀前后变化Fig.1 Changes of sand plates covered with different shapes roughness-elements after wind erosion at wind speed of 8 m/s

3 实验结果
3.1 净风条件下不同外形粗糙元覆盖沙床面的防风蚀效率

净风条件下, 各实验沙盘均呈风蚀状态, 但不同外形粗糙元覆盖沙面的风蚀率存在一定差异(图2a)。在8 m/s时, 风蚀率大小排序为对照组> 饼形> 半球形> 球形> 三棱锥形> 正方体形> 圆柱形; 10, 12和14 m/s时, 风蚀率大小排序均为对照组> 半球形> 饼形> 球形> 三棱锥形> 圆柱形> 正方体形。4种风速下各外形粗糙元风蚀率的均值也存在差异, 大小排序也为对照组> 半球形> 饼形> 球形> 三棱锥形> 圆柱形> 正方体形。由此可见, 正方体形、圆柱形、三棱椎形、球形粗糙元覆盖沙面风蚀率均小于饼形和半球形。

图2 净风条件下不同外形大颗粒覆盖物风蚀率(a)和抗风蚀率(b)Fig.2 The wind erosion rate and anti-wind erosion of different shapes roughness-elements under non-sand driving wind

8 m/s风速条件下, 床面抗风蚀效率大小表现为圆柱形> 正方体形> 三棱椎形> 球形> 半球形> 饼形; 10, 12和14 m/s时, 抗风蚀效率大小均表现为正方体形> 圆柱形> 三棱椎形> 球形> 饼形> 半球形(图2b)。由此可见, 正方体形、圆柱形、三棱椎形和球形粗糙元的抗风蚀效率明显优于饼形和半球形, 其中圆柱形抗风蚀效率最高, 可达50%~80%, 而饼形和半球形抗风蚀效率最低, 仅为17%~50%。

3.2 挟沙风条件下不同外形粗糙元覆盖床面的蚀积状况

挟沙风条件下, 随着风速的增加, 不同外形粗糙元覆盖沙面出现了风积— 风蚀转换现象(图3a)。风速为8 m/s时, 球形、三棱椎形、圆柱形粗糙元覆盖床面有少量风沙堆积, 而正方体形、饼形、半球形和对照组均为风蚀, 其中饼形粗糙元覆盖床面风蚀率最大。风速为10 m/s时, 球形和三棱椎形粗糙元覆盖床面仍有少量风沙堆积, 其他均为风蚀, 风蚀率由大到小为:对照组> 饼形> 半球形> 正方体形> 圆柱形。风速为12和14 m/s时, 各粗糙元覆盖床面均呈风蚀状况, 风蚀率由大到小均为:对照组> 饼形> 半球形> 球形> 三棱椎形> 正方体形> 圆柱形。可见, 挟沙风条件下, 在各外形粗糙元覆盖沙面中, 饼形风蚀率最大, 防风蚀能力最差, 而三棱锥形和圆柱形防风蚀能力最好。

挟沙风条件下, 不同粗糙元覆盖床面抗风蚀率差异较大。8, 12和14 m/s时, 床面抗风蚀效率大小均表现为三棱锥形> 球形> 圆柱形> 正方体形> 半球形> 饼形; 10 m/s时, 抗风蚀效率大小表现为球形> 三棱柱形> 圆柱形> 正方体形> 半球形> 饼形(图3b)。由此可见, 挟沙风条件下, 正方体形、圆柱形、三棱椎形和球形粗糙元的抗风蚀效率明显优于饼形和半球形, 其中三棱柱形抗风蚀效率最高, 而饼形抗风蚀效率最低。

图3 挟沙风条件下不同外形粗糙元覆盖物的风蚀率(a)和抗风蚀率(b)Fig.3 The wind erosion rate and anti-wind erosion rate of different shapes roughness-elements under sand driving wind

4 讨 论
4.1 风速对覆盖床面的风蚀效率的影响

风速是影响沙面风蚀率的的主要因素之一。同一外形相同覆盖度下, 床面风蚀率随风速的增大而增大, 前人研究表明风速与风蚀量的关系服从指数函数分布[18]。本实验数据显示, 净风条件下, 风速与风蚀率更好地服从对数函数分布, 表达式为y=aln(x)+b, 而挟沙风条件下, 风速与风蚀率更好地服从二次函数分布, 表达式为y=ax2+bx+c, 相关系数R2≥ 0.95(表2)。

净风条件下, 风蚀率随风速的增大而增大, 但增长率逐渐变小。风速由8 m/s增至10 m/s时, 风蚀量递增趋势明显, 球形、三棱锥形、圆柱形、正方体形、饼形和半球形覆盖沙面的风蚀量增长率分别为202.59%, 251.75%, 267.33%, 228.34%, 130.60%和144.40%; 风速由10 m/s增至12 m/s时, 风蚀增加率降低, 各床面增长率分别为63.54%, 80.69%, 88.79%, 91.81%, 81.79%和75.89%; 风速由12 m/s增至14 m/s时, 风蚀增加率继续降低, 各床面风蚀增长率分别为52.03%, 47.58%, 52.59%, 55.95%, 54.70%和55.13%。这表明, 风速由8 m/s到10 m/s时, 床面风蚀对风速变化更为敏感。

表2 同一床面条件下风蚀率(y)与风速(x)的拟合关系 Table 2 Fitting relationships between erosion rate(y) and wind speed(x) on the same sand beds

挟沙风条件下, 风速为8和10 m/s时, 球形、三棱椎形和圆柱形粗糙元覆盖沙面虽然发生了少量堆积, 随着风速的增加, 床面逐渐由风积变为风蚀, 其他外形的粗糙元覆盖沙面的风蚀率仍然随风速增加而增大。风速由8 m/s增至10 m/s的过程中, 球形、三棱锥形、圆柱形、正方体形、饼形和半球形覆盖沙面的风蚀量增长率分别为19%, 63%, 234%, 98%, 64%和46%; 风速由10 m/s增至12 m/s时, 各床面风蚀增长率分别为774%, 930%, 662%, 610%, 199%和238%; 风速由12 m/s增至14 m/s时, 各床面风蚀增长率转而降低, 分别为121%, 204%, 232%, 110%, 29%和41%。这表明, 挟沙风情况下, 风速由10 m/s到12 m/s时, 床面风蚀对风速增大更为敏感, 但随着风速持续增大, 床面风蚀增长率反而降低。显然, 这与净风条件有所不同, 可见无沙源供给时, 起沙风作用下床面呈持续的侵蚀强烈, 风速与风蚀率呈对数函数关系, 而有沙源供给时, 由于沙粒运动对风能的消耗, 起沙风作用下床面虽然也呈侵蚀状态, 但风速与风蚀率呈二次函数关系, 当风蚀率达到一定值后, 随风速增加, 风蚀率反而下降。

4.2 粗糙元几何外形对床面风蚀率的影响

球形、三棱椎形、圆柱形、正方体、饼形和半球形的方向比率不同, 分别为1.00, 1.07, 0.84, 1.00, 0.20和0.50(表1), 各粗糙元抗风蚀效率与粗糙元自身的方向比率关系如图4所示, 抗风蚀效率随粗糙元方向比率的增加而增大, 在相同覆盖度条件下, 球形、三棱椎形、圆柱形和正方体形粗糙元的抗风蚀率优于饼形和半球形覆盖沙面。薛娴等[19]对戈壁砾石床面的风蚀防护研究表明, 粗糙元高度的影响大于直径, 高度越大, 床面粗糙度越大, 对风沙流作用越大。Marshall[20]对不同形状、密度条件下粗糙元覆盖床面分析得出, 有明显边界的细高形状粗糙元覆盖床面的阻力系数大于宽矮形的。本文结论与前人的研究结果较一致, 饼形的方向比率最小, 表明其矮宽程度强于其他5种, 由于饼形元素覆盖床面阻力最小, 所以抗风蚀率也最小。三棱锥形方向比率最大, 其抗风蚀效率也最高。

图4 抗风蚀效率与粗糙元方向比率的关系Fig.4 The relationship of anti-wind erosion rate and aspect ratio

各个粗糙元的质量相等是为了保证颗粒在流体的运动下具有相同的质量载荷[21], 边界层流体经过粗糙元时会产生螺旋运动, 出现涡流现象。Raupach等[22]根据粗糙元对边界层气流的影响程度, 将边界层划分为2层, 分别为粗糙亚层(粗糙元平均高度以下)和惯性亚层(粗糙元平均高度以上)。粗糙亚层的风速梯度受粗糙元尾流区影响[23], Ash等[24]指出, 植物等粗糙元周围的风场存在单独粗糙流、尾流相干流以及敷余气流。由于三棱椎形和圆柱形粗糙元的间距较小, 粗糙元之间的尾流相干流相互影响明显, 使得粗糙元风影区范围较大, 床面风蚀较轻, 或产生风积。本实验中相同沙盘在同一覆盖度下, 半球形粗糙元的个数少于球形、三棱锥形、圆柱形和正方体形, 所以半球形粗糙元的间距大于其他4种, 因此随着风速的增大, 半球形覆盖沙面单个粗糙元的风影区小于其他粗糙元, 其床面风蚀也强于其他四者。平放的圆柱形和三棱锥形因棱角分明易扰动周边气流, 造成阻力变大, 所以床面风蚀强度较其他弱。挟沙风条件下, 不同外形粗糙元的阻沙效果也有差异。在8和10 m/s风速时, 由于球形和三棱椎形粗糙元对床面的扰动, 使得外来沙粒与其发生撞击, 激发床面沙粒发生蠕移或跃移运动; 随着风速的继续增大, 加剧了床面沙粒的运动, 使得床面由净风积变为净风蚀。饼形粗糙元高度最小, 且其边界简单, 所以其阻沙效果最差。

Bachavov[25]认为粗糙元的高度会影响风速廓线, 因而不同形状和高度的粗糙元吸收地表的风动量不同, 从而造成各种外形粗糙元的抗风蚀效果也不同。这也从另一个角度解释本实验结果。

5 结 论

通过风洞实验, 定量模拟了不同几何外形的粗糙元在不同风速情况下的风蚀率变化, 以期建立不同几何外形粗糙元的抗风蚀性与不同风速、不同沙源供条件下的定量关系, 研究结果表明:

(1)净风条件, 各风速下所有外形粗糙元覆盖沙面均表现为风蚀; 而挟沙风条件下沙面风蚀与风速和粗糙元外形有关, 在8和10 m/s时部分外形(球形、三棱锥形及圆柱形)粗糙元覆盖沙面呈少量积沙状况, 其他粗糙元覆盖床面呈风蚀状况, 12和14 m/s时, 所有外形粗糙元覆盖沙面均呈风蚀。

(2)无论净风还是挟沙风条件, 当所有外形粗糙元覆盖床面均呈风蚀时, 抗风蚀效率随粗糙元方向比率的增大而增大。净风条件下, 风蚀率大小顺序为正方体形、圆柱形、三棱锥形< 球形< 饼形、半球形。挟沙风条件下, 风蚀率大小顺序为圆柱形< 正方体形、三棱锥形< 球形< 半球形< 饼形, 可见抗风蚀效率圆柱形、正方体形、三棱锥形、球形均大于半球形和饼形。

(3)风蚀率随风速的增大而增大, 净风条件下, 风速> 8 m/s时, 床面表现为强烈侵蚀, 挟沙风条件下, 风速> 10 m/s时, 床面表现为侵蚀。

(4)流沙床面风蚀率受粗糙元几何外形、高度和方向比率等因素的影响; 相同覆盖度下, 细高有明显边界的粗糙元防护效果优于粗矮粗糙元(饼形)。本实验是防沙工程理论与实践紧密结合的一次有益尝试, 研究结果对基于粗糙元铺盖的防沙工程技术和材料开发具有一定的指导意义。

The authors have declared that no competing interests exist.

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